\n新课标人教版课件系列《高中物理》选修3-3\n第十章《热力学定律》\n10.1《功和内能》\n教学目标知识与技能1．知道什么是绝热过程。2．从热力学的角度认识内能的概念。3．理解做功与内能改变的数量关系。4．知道内能和功的单位是相同的。过程与方法从焦耳的实验理解功与内能变化的关系情感、态度与价值观通过焦耳实验了解功与内能变化关系的得来，学习科学家探究过程的艰辛教学重点、难点绝热过程中的功与内能的关系\n知识回顾什么叫内能？与哪些因素有关？质量、温度相同的物体，内能必定相等对吗？\n物体的内能与温度和体积的关系温度变时分子动能变，体积变时分子势能变，因此物体的内能决定于它的温度和体积，但是这句话却不能作为判断两物体内能大小的依据。如两物体温度和体积均相同，而内能却没有确定的关系。再如，0OC的冰熔化成OC水体积减小，不能就此认为其势能也减小，而应该从改变内能的方式上分析,冰熔化过程吸收热量，内能增加，而温度不变，所增加的只是分子的势能\n试解释这个实验说明了什么？\n焦耳1818年12月24日生于英国曼彻斯特，起初研究电学和磁学。1840年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律。焦耳测量了热与机械功之间的当量关系——热功当量，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。\n焦耳热功当量实验装置—机械功\n焦耳热功当量实验装置—电功\n一、绝热过程焦耳的实验说明什么问题？在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与做功方式无关，仅与做功数量有关。系统只由于外界对它做功而与外界交换能量它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫绝热过程\n哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定与物体的运动路径无关？重力电场力\n二、内能任何一个热力学系统都必定存在一个只依赖于系统自身状态的物理量，这个物理量在两个状态间的差别与外界在绝热过程中对系统所做的功相联系。我们把这个物理量称为系统的内能——U△U＝U2－U1△U＝W\n1.下列说法正确的是（）A分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能B物体的分子势能由物体的温度和体积决定C物体的速度增大时，物体的内能增大D物体的内能减小时，物体的温度可能增加D练习巩固\n2.一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是（）A物体的机械能和内能都不变B物体的机械能减少，内能不变C物体的机械能增加，内能增加D物体的机械能减少，内能增加D\n如图所示,绝热具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为EP(弹簧处于自然长度时的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程（）A．EP全部转换为气体的内能B.EP一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能C．EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D．EP一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能04年全国理综17理想气体D\n小结1、焦耳热功当量实验2、绝热过程3、物体内能的宏观描述4、绝热过程中作功和内能的关系\n为什么会呈现雾状？\n05年全国卷Ⅲ19.一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中 （）A．外界对气体做功，气体分子的平均动能增加B．外界对气体做功，气体分子的平均动能减少C．气体对外界做功，气体分子的平均动能增加D．气体对外界做功，气体分子的平均动能减少D\nAB活塞将气缸分成AB两气室，气缸活塞(连同拉杆)是绝热的，且不漏气。则在将拉杆缓慢向外拉动的过程中，两部分气体的内能如何变化？\n10.2《热和内能》\n教学目标1．在物理知识方面要求：（1）知道分子的动能，分子的平均动能，知道物体的温度是分子平均动能大小的标志。（2）知道分子的势能跟物体的体积有关，知道分子势能随分子间距离变化而变化的定性规律。（3）知道什么是物体的内能，物体的内能与哪个宏观量有关，能区别物体的内能和机械能。（4）知道做功和热传递在改变物体内能上是等效的，知道两者的区别，了解热功参量的意义。2．在培养学生能力方面，这节课中要让学生建立：分子动能、分子平均动能、分子势能、物体内能、热量等五个以上物理概念，又要让学生初步知道三个物理规律：温度与分子平均动能关系，分子势能与分子间距离关系，做功与热传递在改变物体内能上的关系。因此，教学中着重培养学生对物理概念和规律的理解能力。\n3．渗透物理学方法的教育：在分子平均动能与温度关系的讲授中，渗透统计的方法。在分子间势能与分子间距离的关系上和做功与热传递关系上都要渗透归纳推理方法。二、重点、难点分析1．教学重点是使学生掌握三个概念（分子平均动能、分子势能、物体内能），掌握三个物理规律（温度与分子平均动能关系、分子势能与分子之间距离关系、热传递与功的关系）。2．区分温度、内能、热量三个物理量是教学上的一个难点；分子势能随分子间距离变化的势能曲线是教学上的另一难点。三、教具1．压缩气体做功，气体内能增加的演示实验：圆形玻璃筒、活塞、硝化棉。2．幻灯及幻灯片，展示分子间势能随分子间距离变化而变化的曲线。\n一、热传递两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，这个过程称之为热传递热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射\n二、热和内能在外界对系统没有做功的情况下，内能和热量之间有什么样的关系呢？即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量△U＝Q\n做功和热传递对改变物体的内能的区别二、热和内能做功是内能和其他形式的能发生转化热传递是不同物体或同一物体不同部分内能的转移做功和热传递都能改变系统的内能，这两种方式是等效的，都能引起系统内能的改变，但是它们还是有重要区别的△U＝Q{△U＝W\n例1如果铁丝的温度升高了，则（）A.铁丝一定吸收了热量B.铁丝一定放出了热量C.外界可能对铁丝做功D.外界一定对铁丝做功解析：做功和热传递对改变物体的内能是等效的，温度升高可能是做功，也可能是热传递。故C正确。答案：C\n例2下列关于热量的说法，正确的是（）A.温度高的物体含有的热量多B.内能多的物体含有的热量多C.热量、功和内能的单位相同D.热量和功都是过程量，而内能是一个状态量解析：热量和功都是过程量，而内能是一个状态量，所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同都是焦耳。选C、D答案：C、D\n\n\n注意：热量是单纯的传热过程中系统内能变化的一个量度，是一个过程量，不能讲在某个时刻物体具有多少热量应该讲在热传递过程中有多少热量从高温物体传递到了低温物体\n热传导－－热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等热对流－－靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式热辐射－－热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强\n一、热传递 说明：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止。在这个过程中我们说，热量从高温物体传递到了低温物体，这个过程称之为热传递。 问：热传递分别有哪几种方式？（热传导、热对流、热辐射） 问：这三种方式如何区分？（热沿着物体传递的传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等；热对流是靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式，热辐射是热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强）\n二、热和内能 问：改变物体的内能有哪两种方式？（做功和热传递） 问：在系统绝热过程中，内能和功之间有怎样的关系？（△U＝W，即在系统和外界没有热交换的情况下，外界对系统所做的功等于系统内能的改变量） 问：在外界对系统没有做功的情况下，内能和热量之间有什么样的关系呢？（△U＝Q，即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量） 问：热量有什么需要注意的地方？（内能是单纯的传热过程中系统内能变化的一个量度，是一个过程量，与功类似，我们知道功是一个过程量，不能讲某个时候物体具有多少功，而应该讲在某个过程中物体做了多少功。与此相类似，不能讲在某个时刻物体具有多少热量应该讲在热传递过程中有多少热量从高温物体传递到了低温物体） 问：做功和热传递对改变物体的内能有什么区别吗？（做功是内能和其他形式的能如机械能、电能等等发生转化；而热传递是不同物体或同一物体不同部分内能的转移）\n10.3《热力学第一定律 能量守恒定律》\n教学目标（1）知道热力学第一定律，理解能量守恒定律（2）对热力学第一定律的数学表达式有简单认识（3）知道永动机是不可能的\n•分子因热运动而具有的能量•同温度下各个分子的分子动能ＥK不同•分子动能的平均值仅和温度有关分子动能•分子间因有相互作用力而具有的、由它们相对位置决定的能量•r＜r0时,r↓→ＥP↑;ｒ＞ｒ0时,r↑→ＥP↑;ｒ＝ｒ0时，ＥP最低•ＥP随物态的变化而变化分子势能•物体内所有分子的ＥK和ＥP总和•物体的内能与温度和体积有关，还和物体所含的分子数有关。物体内能\n复习题：1、下列说法正确吗?A、物体所有分子的动能的总和=物体的动能B、速度快的分子比速度慢的分子温度高C、温度高物体中的分子运动速度大于温度低的物体中的分子运动速度.\n2.10Kg500C水分子的平均动能____1Kg500C水分子平均动能10Kg500C水的内能_____1Kg500C的水的内能等于大于\n3、关于内能，下列说法正确的是A、温度相同的物体内能一样多B、一罐气放在卡车上随卡车做加速运动，罐中气体动能越来越大，所以内能也越来越大C、一定质量的物体的内能，由温度和体积决定D、某物体的内能为E，含分子数为n个，那么每个分子的内能为E/n机械能增大C\n改变内能的两种方式做功热传递对内对外吸热放热内能增加内能增加内能减少内能减少（外界对物体做功）（物体对外界做功）（物体从外界吸热）（物体对外界放热）\n（3）做功和热传递在改变内能效果上是等效的做功和热传递的区别（1）做功改变内能：实质上是其它形式的能和内能之间转化（2）热传递：实质上是各物体间内能的转移\n内能是一个状态量，一个物体在不同的状态下有不同的内能内能与热量的区别热量是一个过程量，它表示由于热传递而引起的变化过程中转移的能量，即内能的改变量。如果没有热传递，就没有热量可言，但此时仍有内能\n1、下列说法中正确的是:A、做功和热传递是改变物体内能的两种不同的物理过程B、做功和热传递在改变物体内能上是等效的，因此对物体做功就是对物体传热C、热量是在热传递中，从一个物体向另一个物体或物体一部分向另一部分转移的内能的多少D、高温的物体具有热量多，低温的物体具有热量少E、冷和热的物体混合时，热的物体把温度传给冷的物体，最后温度相同（A，C）\n2、关于物体内能，下列说法中正确的是:A、手感到冷时，搓搓手就会感到暖些，这是利用做功来改变物体内能B、将物体举高或使它们的速度增大，是利用作功来使物体内能增大C、阳光照晒衣服，衣服的温度升高，是利用热传递来改变物体内能的D、用打气筒打气，筒内气体变热，是利用热传递来改变物体的内能（A，C）\n3.10Kg1000C水的内能_____10Kg1000C的水蒸气的内能10Kg00C水的内能_____10Kg00C的冰的内能小于大于对于物态发生变化的过程，由吸热或放热来分析物体内能的增减是一种很简便的判断方法.分子势能？\n学习重点：学习难点：1、能量守恒定律。2、从能量转化的观点理解热力学第一定律，会用ΔU=W+Q分析和计算有关问题。1、如何用能量转化和守恒的观点分析物理现象；2、热力学第一定律ΔU=W+Q中各物理量的意义及正负号的确定。\n学习过程：[问]：既然做功和热传递都可以改变物体的内能，那么，功、热量跟内能的改变之间一定有某种联系，我们就来研究这个问题.[问]：改变物体内能的方式有哪些？①做功②和热传递\n热力学第一定律各量的正负号含义应用能量守恒定律用动机不可能制成总结\n一、热力学第一定律1.一个物体，它既没有吸收热量也没有放出热量，那么：①如果外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？②如果物体对外界做的功为Ｗ，则它的内能如何变化？变化了多少？\n2.一个物体，如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么：①如果物体吸收热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？②如果放出热量Ｑ，它的内能如何变化？变化了多少？\n3.如果物体在跟外界同时发生做功和热传递的过程中，内能的变化ΔU与热量Ｑ及做的功Ｗ之间又有什么关系呢？\n1.一个物体，如果它既没有吸收热量也没有放出热量，那么，外界对它做多少功，它的内能就增加多少；物体对外界做多少功，它的内能就减少多少.返回\n2.如果外界既没有对物体做功，物体也没有对外界做功，那么物体吸收了多少热量，它的内能就增加多少，物体放出了多少热量，它的内能就减少多少.返回\nΔU=W+Q该式表示的是内能的变化量跟功、热量的定量关系，在物理学中叫做热力学第一定律.ΔU物体内能的增加量W外界对物体做的功Q物体吸收的热量返回\n二、定律中各量的正、负号及含义物理量符号意义符号意义W+外界对物体做功－物体对外界做功Q+物体吸收热量－物体放出热量ΔU+内能增加－内能减少返回\n三、应用例题：一定量的气体从外界吸收了2.6×105J的热量，内能增加了4.2×105J。问：①是气体对外界做了功，还是外界对气体做了功？做了多少焦耳的功？解：①根据ΔU=W+Q得W=ΔU－Q=4.2×105J－2.6×105J=1.6×105JW为正值，外界对气体做功，做了1.6×105J的功。＇解：②同理可得：W=ΔU－Q=1.6×105J－2.6×105J=－1.0×105JW为负值，说明气体对外界做功（气体体积变大），做了1.0×105J的功。＇＇②如果气体吸收的热量仍为2.6×105J不变，但是内能只增加了1.6×105J，这一过程做功情况怎样？\n四、能量守恒定律演示柴油机的工作过程用热力学第一定律解释柴油机正常工作时压燃的原理活塞压缩气体，活塞对气体做功，由于时间很短，散热可以不计，机械能转化为气体的内能，温度升高，达到柴油燃点，可“点燃”柴油。能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变，这就是能量守恒定律.\n五、永动机不可能制成永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机.人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机.（不吃草的马）根据能量守恒定律，任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的.P68图10.3-1\n\n六、总结1、热力学第一定律：ΔU=W+Q2、能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变，这就是能量守恒定律.\n一定量的气体吸收热量，体积膨胀并对外做功，则此过程的末态与初态相比，（）A．气体内能一定增加B．气体内能一定减小C．气体内能一定不变D．气体内能是增是减不能确定例题1、D\n下列说法正确的是（）A．外界对气体做功，气体的内能一定增大B．气体从外界只收热量，气体的内能一定增大C．气体的温度越低，气体分子无规则运动的平均动能越大D．气体的温度越高，气体分子无规则运动的平均动能越大例题2、D\n例题3、下列说法正确的是（）A．外界对一物体做功，此物体的内能一定增加B．机械能完全转化成内能是不可能的C．将热量传给一个物体，此物体的内能一定改变D．一定量气体对外做功，气体的内能不一定减少D\n例题4：一定质量的理想气体，从某一状态开始，经过一系列变化后又回一开始的状态，用W1表示外界对气体做的功，W2表示气体对外界做的功，Q1表示气体吸收的热量，Q2表示气体放出的热量，则在整个过程中一定有（）A．Q1—Q2=W2—W1B．Q1=Q2C．W1=W2D．Q1>Q2点拨：整个过程的内能不变，ΔE=0由热力学第一定律ΔE=W总+Q总=0Q总=-W总∴Q1—Q2=W2—W1A\n如图所示,密闭绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部.另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为EP(弹簧处于自然长度时的弹性势能为零),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程（）A．EP全部转换为气体的内能B.EP一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能C．EP全部转换成活塞的重力势能和气体的内能D．EP一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能例题5、理想气体D\n10.4《热力学第二定律》\n教学目标知识与技能1.了解热传递过程的方向性。2.知道热力学第二定律的两种不同的表述，以及这两种表述的物理实质。3.知道什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。过程与方法1．热力学第二定律的表述方式与其他物理定律的表述方式有一个显著不同，它是用否定语句表述的。2．热力学第二定律的表述不只一种，对任何一类宏观自然过程进行方向的说明，都可以作为热力学第二定律的表述，学习本节时注意这一方法。\n情感、态度与价值观通过学习热力学第二定律，可以使学生明白热机的效率不会达到100%，我们只能想办法尽量提高热机的效率，但不能渴求达到100%。自然界发生的一切过程中的能量都是守恒的，但不违背能量守恒定律的宏观过程并都能发生。【重点、难点分析】：重点：热力学第二定律两种常见的表述。难点：1.热力学第二定律的开尔文表述。2.自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。【课时安排】：1课时\n三、教学过程：引入新课：任何物体都具有内能，在地球上贮存量十分丰富的海水总质量约达1.4×1018吨，它的温度只要降低1oC，就能释放相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量，足够全世界使用4000年。而人类都不能利用这种“新能源”，究其原因，是因为涉及物理学的一个基本定律——热力学第二定律．\n新课教学：(一)、热传导的方向性1．实例：热量会自动地从高温物体传给低温度物体。2．热传导的过程具有方向性3．自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。\n1．实例：热量会自动地从高温物体传给低温度物体。[注意]这里所说“自发地”是指没有任何外界的影响或帮助，电冰箱工作时能将冰箱内(温度较低)的热量，传给外界空气(温度较高)，是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功。\n2．热传导的过程具有方向性热传导的过程可以向一个方向自发地进行(热量从高温物体自发地传给低温物体)；但向相反的方向不会自发地产生(热量不会自发地从低温物体传给高温物体)，只有借助外界的帮助才能进行。\n①热机：是一种把内能转化为机械能的装置。热机③效率：由能量守恒定律知道Q1=W+Q2热机的效率内燃机②原理：燃料燃烧产生热量Q1（高温热源）推动活塞对外做功W排出废气向外界（低温热源）放热Q2高温热库低温热库Q1Q2对外做功热机W热机的效率小于100%，就不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为机械能，总有一部分热量散发到冷凝器中。（二）机械能与内能转化的方向性\n(二)第二类永动机1．第二类永动机：人们把想象中能够从单一热源吸收热量，全部用来做功而不引起其他变化的热机叫做第二类永动机。2．第二类永动机不可能制成表示机械能和内能的转化过程具有方向性．尽管机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化．\n3．第一类永动机和第二类永动机它们都不可能制成，第一类永动机的设想违反了能量守恒定律；第二类永动机的设想虽不违反能量守恒定律，但违背了跟热现象相联系的宏观自然过程具有方向性的规律。\n三、热力学第二定律举例：两种不同的气体扩散可以自发地进入对方,最后成为一种均匀的混合气体思考:如图所示,容器A中装有气体,容器B是真空,打开阀门K,容器A中的气体会自发地向B中膨胀,最后两个容器都充满气体.会不会气体自发地从容器B流向容器A,最后使容器B恢复成真空呢?大量自然现象说明:有些物理过程具有方向性.\n(三)热力学第二定律1．热力学第二定律常见的两种表述：(1)按热传递的方向性来表述：不可能使热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化．(2)按机械能与内能转化过程的方向性来表述：不可能从单一热库吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．\n2．两种表述是等价的．可以从一种表述导出另一种表述，两种表述都称为热力学第二定律3．热力学第二定律的意义提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，是独立于热力学第一定律的一个重要自然规律．\n(四)能量耗散1．能量耗散：流散的内能无法重新收集起来加以利用的现象叫做能量耗散．2．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性．\n五、例题分析：[例1]根据热力学第二定律，下列判断正确的是A.电流的能不可能全部变为内能B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温度物体．\n[解析]根据热力学第二定律可知，凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能，在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项B、C、D正确．\n[例2]第二类永动机不可以制成，是因为[]A.违背了能量的守恒定律B．热量总是从高温物体传递到低温物体C．机械能不能全部转变为内能D．内能不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化\n[解析]第二类永动机设想虽然符合能量守恒定律，但是违背了能量转化中有些过程是不可逆的规律。所以不可能制成，选项D正确．\n[例3]试对热力学第一定律和热力学第二定律做一简单的评析[解析]热力学第一定律和热力学第二定律是构成热力学知识的理论基础，前者对自然过程没有任何限制，只指出在任何热力学过程中能量不会有任何增加或损失，反映的是物体内能的变化与热量、做功的定量关系；后者则是解决哪些过程可以自发地发生，哪些过程必须借助于外界条件才能进行。\n六、小结：热力学第二定律有常见的两种表述，提示了有大量分子参与的宏观过程(即与热现象有关的宏观过程)的方向性，第二类永动机不可能制成。\n七、[巩固练习]1.下列哪些物理过程具有方向性A.热传导过程B．机械能和内能的转化过程C．气体的扩散过程D．气体向真空中膨胀的过程。答案：\n上题答案：ABCD2.热机是一种______的装置，热机做的功和它从热源吸收热量的比值叫做热机的______．答案：3.能量耗散是从________角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性．答案：\n2答案：把内能转化为机械能；效率3答案：热现象4.热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及________现象的宏观过程都具有________性，例如机械能可以________转化为内能，但内能_______全部转化为机械能，而不引起其他变化．\n4答案：热；方向；全部；不能。5.什么是第二类永动机?为什么第二类永动机不可能造成?答：能够从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化的热机称为第二类永动机。第二类永动机不可能制成的原因是因为机械能和内能转化过程具有方向性，尽管机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其他变化。\n6.试述热力学第一定律和热力学第二定律的区别与联系．解答：热力学第一定律指出了在任何热力学过程中，能量不会有任何增减或损失，对自然过程也没有限制；而热力学第二定律是解决了哪些过程可以发生。两个定律从不同角度揭示了热力学过程中遵从的规律，既相互独立，又相互补充，共同构成了热力学知识的理论基础\n10.5《热力学第二定律 的微观解释》\n教学目标知识与技能1.了解有序和无序，宏观态和微观态的概念。2.了解热力学第二定律的微观意义。3.了解熵的概念，知道熵是反映系统无序程度的物理量。4.知道随着条件的变化，熵是变化的。过程与方法１.学会通过现象总结规律的科学方法2.知道熵的概念，知道任何自然过程中一个孤立系统的总熵不会减少情感态度和价值观培养分析、归纳、综合能力\n\n一个“妖精”，神通广大，能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A，B两部分，并在隔板上安装一个阀门，当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。 假设这个容器开始时完全充满了一定温度的气体，按照热的动力论，一定的温度对应于分子的一定的平均温度，因为气体分子的运动具有随机性质，有的分子的速度将大于平均值，有的则将小于平均值。妖精在适当的时候打开阀门，让快的分子从B进入A，慢的分子从A进入B，结果不须消耗能量，B部分的温度就下降，A部分的温度就上升，热量可以自发地从低温物体流向高温物体。\n一般的解释是：妖精必须得到一些“知识”，才能把“快”分子和“慢”分子区分开来。为了获得这些信息，要不要消耗能量？如果需要，则容器、气体、隔板、妖精作为封闭系统，为得到所要信息所需的能量，将不大于因利用这一信息而消耗的能量，并没有违反热力学第二定律。麦克斯韦的妖精能破坏热力学第二定律吗？\n自发总是从有序到无序演化但是麦克斯韦的妖精可以使其向有序化发展，酶，就是生命中的麦克斯韦的妖精；而人类全体作为麦克斯韦的妖精，增加着社会的有序度。毕竟，“妖精”，用通俗的话说，是个生物，也是个信息系统，“妖精”就是对宇宙演化的一种抗争。\n热力学第二定律的微观解释\n热力学第一定律给出了各种形式的能量在相互转化过程中必须遵循的规律，但并未限定过程进行的方向。凡符合热一律的过程---即符合能量守恒的过程是否都能实现呢？实验表明，自然界中一切与热现象有关的宏观过程都是有方向性的。一、自然过程的方向性热传导过程例如：气体的绝热自由膨胀过程。这些典型例子说明自然界的实际过程是按一定的方向进行的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。\n热力学第一定律无法对这类问题作出解释，需要一个独立于热力学第一定律的新的自然规律，即热力学第二定律来解释。二、热力学第二定律不可能从单一热源吸取热量，使之完全变成有用的功而不产生其他影响。功可以完全变热，但要把热完全变为功而不产生其它影响是不可能的。1851年开尔文总结出热力学过程进行的限度。1.开尔文表述以热机为例，热机的循环除了热变功外，还必定有一定的热量从高温热源传给低温热源，即产生了其它效果。\n热全部变为功的过程也是有的，如，理想气体等温膨胀。但这时引起了其它的变化。开尔文表述否定了热机效率能达百分这百的可能性高温热源T1=0第二类永动机（单热机）不能制成。第二类永动机\n高温热源T1低温热源T2与之相应的经验事实是，当两个不同温度的物体相互接触时，热量将自动地由高温物体向低温物体传递，而不可能自发地由低温物体传到高温物体。如果借助制冷机，当然可以把热量由低温传递到高温，但要以外界作功为代价，也就是引起了其它变化。克氏表述指明热传导过程是有方向的。2、克劳修斯表述热量不能自动地从低温热源传到高温热源而不引起其它的变化。\n1.从开尔文表述入手假定单热机是可以造成的，则高温源低温源Q高温热源T1低温热源T2高温热源T1低温热源T23、两种表述是统一的2.从克劳修斯表述入手高温热源T1低温热源T2高温热源T1假定热量能自动地从低温源传到高温源，则单热机也能造成。热力学过程是有方向性的。\n2.可逆过程与不可逆过程为了进一步研究热力学第二定律的含义和热力学过程方向性问题，引入可逆过程的概念。一个系统，由一个状态出发经过某一过程达到另一状态，如果存在另一个过程，它能使系统和外界完全复原（即系统回到原来状态，同时消除了原过程对外界引起的一切影响）则原来的过程称为可逆过程；单摆运动：一个单摆，如果不受空气阻力及其它摩擦力，当它离开某一位置后，经过一个周期又回到原来的位置而周围一切都无变化。反之，如果物体不能回复到原来状态或当物体回复到原来状态却无法消除原过程对外界的影响，则原来的过程称为不可逆过程。无摩擦和阻力的单摆运动是一个可逆过程。\n单纯的无机械能耗散的机械运动过程都是可逆过程。理想气体绝热自由膨胀是不可逆的。在隔板被抽去的瞬间，气体聚集在左半部，这是一种非平衡态，此后气体将自动膨胀充满整个容器。最后达到平衡态。其反过程由平衡态回到非平衡态的过程不可能自动发生。A在热现象中，可逆过程只有在准静态和无摩擦的条件下才有可能。无摩擦准静态过程是可逆的。经验和事实表明，自然界中真实存在的过程都是按一定方向进行的，都是不可逆的。理想气体热传导过程是不可逆的。热量总是自动地由高温物体传向低温物体，从而使两物体温度相同，达到热平衡。从未发现其反过程，使两物体温差增大。\n可逆传热的条件是：系统和外界温差无限小，即等温热传导。气体的迅速膨胀过程是不可逆的。但是当气体膨胀非常缓慢又没有其它摩擦时，它却是可逆的。结论：1）一切自发过程都是不可逆过程。2）准静态过程（无限缓慢）+无摩擦的过程是可逆过程。3）一切实际过程都是不可逆过程。可逆过程是一种理想的极限，只能接近，绝不能真正达到。因为，实际过程都是以有限的速度进行，且在其中包含摩擦，粘滞，电阻等耗散因素，必然是不可逆的。\n可逆过程是理想化的过程。强调：不可逆过程不是不能逆向进行，而是说当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹不能将原来正过程的痕迹完全消除。热力学第二定律说明了自然界的实际过程是按一定的方向进行的，是不可逆的，相反方向的过程不能自动发生，或者说，如果可以发生，则必然引起其它后果。开氏表述实质上在于说明功变热的过程是不可逆的。热力学第二定律的实质在于指出：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。它所揭示的客观规律向人们指出了实际宏观过程进行的条件和方向。克氏表述实质上在于说明热传导过程是不可逆的。\n不可逆过程的统计性质（以气体自由膨胀为例）下面从统计观点探讨过程的不可逆性微观意义，并由此深入认识第二定律的本质。热力学第二定律的微观意义：一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。在热力学中，序：区分度。对于一个热力学系统，如果处于非平衡态，我们认为它处于有序的状态，如果处于平衡态，我们认为它处于无序的状态。首先理解有序和无序的概念。一个被隔板分为A、B相等两部分的容器，装有4个涂以不同颜色分子。3.热力学第二定律的统计意义热力学第二定律的微观意义\n分布（宏观态）详细分布（微观态）14641开始时，4个分子都在A部，抽出隔板后分子将向B部扩散并在整个容器内无规则运动。隔板被抽出后，4分子在容器中可能的分布情形如下图所示：\n微观态共有24=16种可能的方式，而且4个分子全部退回到A部的可能性即几率为1/24=1/16。一般来说，若有N个分子，则共2N种可能方式，而N个分子全部退回到A部的几率1/2N.对于真实理想气体系统N1023/mol，这些分子全部退回到A部的几率为。此数值极小，意味着此事件永远不会发生。从任何实际操作的意义上说，不可能发生此类事件。对单个分子或少量分子来说，它们扩散到B部的过程原则上是可逆的。对大量分子组成的宏观系统来说，它们向B部自由膨胀的宏观过程实际上是不可逆的。这就是宏观过程的不可逆性在微观上的统计解释。\n第二定律的统计表述（依然看前例）4个分子在容器中的分布对应5种宏观态。分布（宏观态）详细分布（微观态）左边一列的各种分布仅指出A、B两边各有几个分子，代表的是系统可能的宏观态。中间各列是详细的分布，具体指明了这个或那个分子各处于A或B哪一边，代表的是系统的任意一个微观态。一种宏观态对应若干种微观态。在一定的宏观条件下，各种可能的宏观态中哪一种是实际所观测到的？不同的宏观态对应的微观态数不同。均匀分布对应的微观态数最多。全部退回A边仅对应一种微观态。\n统计物理基本假定—等几率原理：对于孤立系，各种微观态出现的可能性（或几率）是相等的。各种宏观态不是等几率的。那种宏观态包含的微观态数多，这种宏观态出现的可能性就大。定义热力学几率：与同一宏观态相应的微观态数称为热力学几率。记为。在上例中，均匀分布这种宏观态，相应的微观态最多，热力学几率最大，实际观测到的可能性或几率最大。所以，实际观测到的总是均匀分布这种宏观态。即系统最后所达到的平衡态。对于1023个分子组成的宏观系统来说，均匀分布这种宏观态的热力学几率与各种可能的宏观态的热力学几率的总和相比，此比值几乎或实际上为100%。\n对整个宇宙不适用。如布朗运动。平衡态相应于一定宏观条件下最大的状态。热力学第二定律的统计表述：孤立系统内部所发生的过程总是从包含微观态数少的宏观态向包含微观态数多的宏观态过渡，从热力学几率小的状态向热力学几率大的状态过渡。自然过程总是向着使系统热力学几率增大的方向进行。4.热力学第二定律的适用范围注意：微观状态数最大的平衡态状态是最混乱、最无序的状态。一切自然过程总是沿着无序性增大的方向进行。1）适用于宏观过程对微观过程不适用，2）孤立系统有限范围。\n可爱的熵物理学中有个熵定律，也就是著名的热力学第二定律。 “熵”的名称是由德国物理学家道尔夫·克劳修斯于1868年造出来的，它代表着宇宙中不能再被转化做功的能量的总和的测定单位，即熵的增加表示宇宙物质的日益混乱和无序，是无效能量的总和。熵本身既不是好事，也不是坏事；它意味着腐败和混乱，但它同时也意味着生命本身的展开──不论是有机的，还是无机的生命。卡农、乔治·梅特勒的大爆炸学说也认为，宇宙是以有序的状态开始，不断地向无序状态发展，它与热力学第二定律是相符的。热力学第一定律说明能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式；热力学第二定律（熵定律）却表明：能量不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的变为不可利用的状态。\n有效能量告罄时，是“热寂”──死寂的热平衡状态。 有效物质耗尽时，是一片“物质混乱”──整个宇宙的大混乱和大混沌。 古罗马诗人贺拉斯说：“时间磨灭了世界的价值！”可谓一语道破了熵定律的真谛。 物理学家们认为，熵定律是物质世界的最终定律，人类参与的每一项物质活动都受到热力学第一、第二定律的严密制约；但是，他们 又认为熵定律只涉及物质世界，只控制时空的横向世界，人类的精神世界并不受熵定律的专制统治！ 所以，生命的现象是宇宙洪流中的一股逆流！ 人类精神的无限发展，是不可抗拒的熵增大长河中的一条逆流之舟！\n10.6《能源和 可持续发展》\n教学目标知识与技能1.理解能量耗散和品质降低的概念。2.理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。3.了解常规能源的使用带来的环境污染。4.了解开发新能源的方法和意义。过程与方法从日常生活现象了解能源，了解常规能源的储量与人类需求的关系情感、态度与价值观知道能源和可持续发展的关系，培养学生探究知识的欲望和学习兴趣教学重点：理解能源的概念和能源的使用与环境污染的关系．教学难点：能源的开发和利用与环境的关系．教学方法：探究教学教具：多媒体课件\n一、常规能源定义：那些能够提供可利用能量的物质和自然过程如：煤、石油、天然气、空气的流动、水的流动等近几百年，人类相继发明了蒸汽机、内燃机、电动机等动力机械，生产力飞速发展的同时，也加剧了能源的消耗剩余常规能源资源估计：石油――几十年，煤――两百多年一旦消耗殆尽，将导致汽车、飞机、轮船、内燃机车无法使用，火力发电厂将停止发电人类社会将会陷入瘫痪的局面能源消耗的现状及担忧：\n面对能源现状的思考节约能源WhatCanWedo?WaitingForYourSuggestion\n二、开发新能源－－迫在眉睫你知道哪些新能源？1、太阳能：太阳能是一种可广泛利用的清洁能源。我们目前的利用方式主要是两种一是将阳光聚焦，将光能转化为热能。在日照充分的地方，人们在生产和生活中已大量使用太阳灶、干燥器和太阳能热水器。二是将太阳能转化为化学能，再用化学能发电。比较常见的光电池是硅电池（它能将13%-20%的日光能转化为电能）。许多电子计算器和其他小型电子仪器现在已经采用太阳能电池供电，人造卫星和宇宙飞船更是主要依靠太阳能电池来提供电力。遗憾：经过大气的反射、散射和吸收，能量损失较大，受阴天、昼夜变化和雨雪等降水过程的影响。\n二、开发新能源－－迫在眉睫2、水能：水作为能量的载体，被太阳能驱动地球上三栖（水、陆、空）循环。地表水的流动时，在落差大、流量大的地区，形成可利用的水能资源。目前世界上水力发电还处于起步阶段。我国建有葛洲坝、三峡水力发电站等设施利用水能遗憾：受地域、气候影响较大，干旱缺水地区无法应用\n二、开发新能源－－迫在眉睫3、海洋能：由于地球受月球和太阳引力的周期性不均衡，海水发生非气候性的涨潮和落潮现象，形成潮汐。潮汐蕴含着巨大能量，既可以用来推动机械装置，又可以用来发电。此外，由于海水表层和深层间的存在很大的温差，利用这种温差也可以发电。法国已经建成了世界上第一座温差发电站，发电容量为14,000kW。遗憾：受地域影响较大、内陆地区无法应用\n二、开发新能源－－迫在眉睫4、风能：利用风的机械能发电，风能是一种重要的自然能源。据有关专家估算，在全球边界层内的总能量为1.3×1015瓦，一年中约为1.4×1016千瓦时电力的能量，相当于目前全世界每年所燃烧能量的3000倍。其中1/10为可取用的极限量。风能的优点是：总能量巨大，利用简单、无污染、可再生。遗憾：能量密度低、稳定性、连续性、可靠性差，时空分布不均匀\n二、开发新能源－－迫在眉睫5、生物质能（沼气）：利用厌氧微生物在密闭条件下分解（废弃）有机物，产生沼气，沼气具有很高的热值，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人畜健康。生成沼气的原料本身就是各种废弃物，生产过程可以减少（有机物）垃圾的数量。在农村到处可以看到许多生物质的废弃物，如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等。将这些废弃物收集起来，经过细菌发酵可以产生沼气，用沼气做燃料和照明，也可以发电。遗憾：机械化程度低，规模化生产受限制，在城市难以普及应用\n二、开发新能源－－迫在眉睫6、地热能：用地热采暖、将地热用于农业、水产养殖业、工业生产等，在全世界范围内受到关注。（从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%）。据美国地热资源委员会（GRC）1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。我国的地热资源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。除以上利用外，从热水中还可提取盐类、有益化学成分和硫磺等。遗憾：很大程度上受地域因素的制约\n二、开发新能源－－迫在眉睫7、核能：主要利用物是铀、钍、钚等发射性元素铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、U234，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。铀的和平用途十分广泛，其中最主要的是用作核电反应堆的燃料。核电具有发电成本低、对环境污染小和安全等优点。我国已建成秦山、大亚湾核电站，目前还有多处正在筹建。遗憾：核反应过程中的射线辐射及产生的废料具有高度危害性投资成本太大较易引发政治纷争\n思考与讨论：我们生活的家乡－－四川，主要利用什么常规能源？有哪些新能源能够利用？四川省能源以水能、煤炭和天然气为主。其中水能资源最为丰富，技术可开发量、经济可开发量、开发利用规模均居全国首位。水能资源集中分布于川西南山地的大渡河、金沙江、雅砻江三大水系。水能资源是四川未来经济发展的重要支柱。煤炭资源保有储量97.33亿吨，探明储量约占全国总储量的0.9%。天然气累计探明地质储量为7590.56亿立方米。四川省属贫油省份，但生物能源比较丰富，每年产生沼气约10亿立方米。此外，太阳能、风能、地热资源也较为丰富，有望很好地开发利用。\n三、能源利用所带来的危害煤、石油等常规能源的利用带来：在新的能源中，环境问题是不是彻底解决了呢？从前面介绍的1～6种能源中，人们确实充分考虑了这个问题，理论上是不会有环境问题的。但是，它们都会受自然条件和资源条件的制约随着人们需求的增长，可以说，这前6能源的供应量必然不能满足要求，所以核能成为人们关注的焦点。在发达国家，核能的使用量日益增多…但是事实上，核能直接或潜藏的环境问题比煤或者石油的要严重得多…关于这一点，我们将在二十章进行详细的学习温室效应、酸雨、光化学烟雾、浮尘等危害\n人类要在以上问题中寻求一种协调与和谐，在调整需求意识、珍惜资源、科研开发等多个方面都有工作要做。无论今后同学们致力于哪一方面的工作，今天我们所形成的意识都会大有必要。透过现象看本质\n四、小结1、什么是能源，人类与能源的关系；2、常规能源与新能源的前景；3、人类不能打破与环境的和谐，如果破坏环境等于摧毁自己的生存家园。五、课后作业你周围使用能源中有哪些不安全因素？对环境有哪些影响？如何可以改进？\n太阳能光电太阳热能\n\n江厦潮汐试验电站－－中国规模最大的潮汐电站。位于浙江省温岭西部，乐清湾东北角。\n新疆达板城风力发电站\n兴望农牧沼气工程建设项目，是农业部2005年批准建设的种猪场大型沼气发电能源环保示范工程，该沼气工程年处理猪粪尿25000吨，年产沼气36.5万立方米，年发电69万度，沼站年收入55.95万元\n西藏羊八井地热发电站外貌\n大亚湾核电站秦山核电站\n这是2002年6月27日，桔红色的晚霞浮现在澳大利亚悉尼纳拉宾海滩的上空。由于空气污染严重，空气中的悬浮颗粒遭遇冷空气，透过阳光的照射便形成了如此灿烂的“晚霞”。\n2002年11月25日，在德国法兰克福附近的一个发电厂上空，一道彩虹划过被污染的厂区。\n酸雨进入河流对鱼类的危害酸雨对植物的危害酸雨对建筑物的危害漫画：酸雨下的生活\n上海出现浮尘天气,空气中可吸入颗粒物日均值达到去年日均值的7倍左右,空气属于重度污染,空气污染指数高达500,创下上海自2001年有空气污染指数史以来的最高值\n新疆南疆盆地、甘肃中西部、宁夏、内蒙古中西部和东南部、陕西北部、山西北部、河北中北部、辽宁西部和北部、吉林中西部、黑龙江西南部以及京津等地出现浮尘天气\n\n励志名言形成天才的决定因素应该是勤奋\n安全小贴上课间活动注意安全
