从人文视角构想热力学第二定律的教学
在新课标高中物理教材中，无论是侧理类选修3-3，还是侧文类的选修1-2，都有热力学第二定律的内容出现，而且教材明确提出了熵的概念. 热力学第二定律即使在大学普通物理中也是一块艰涩的内容，对于理解能力和数学基础尚有一定差距的高中学生来说，的确是一个难点. 编者的意图何在?作为教师该如何找准教学的定位?
诚如天体和大气物理学家埃姆顿所云：“在自然过程的庞大工厂里，熵原理起着经理的作用，因为它规定着整个企业的运营方式和方法，而能仅仅充当簿记，平衡贷方和借方. ”熵这个概念的重要性不亚于能，它不仅应用于对社会发展起到关键作用的热科学领域，还广泛地应用于物质结构、低温物理、化学动力学、生命科学和宇宙学，而且已经延伸到诸如经济、社会、信息技术等领域. 从新课程应充分体现时代性的理念来看，在高中物理中安排这块内容的确顺理成章. 再从当前人类面临的社会问题看，几乎可以这样说，除了文化冲突和民族纷争以外，人口、能源和环境是一切社会问题发生之源. 为了子孙后代的生存发展必须节约能源的观点，保护环境就是保护人类自身的意识，是本块内容应该体现的人文内涵. 由于上述诸多因素，在本块内容的教学设计中，应体现定性优于定量，人文性大于科学性的原则. 如何落实新课程所要求的三维教学目标，充分体现本块内容的人文性呢?笔者认为可以从以下几个方面入手.
一、运用人文手段，理解、诠释热力学第二定律
实验手段、数学手段、逻辑手段等是属于科学的手段，运用比喻、典故、故事、成语俚语等可以说是人文手段. 在本块内容教学中，教师要尽量避开或者降低定量和逻辑推理要求，而以学生易于接受且能引起共鸣的一些人文方法，以加深对热力学第二定律的理解.
克劳修斯指出：热量不能自发地从低温物体传向高温物体，说明热传递是有方向的. 如果我们在学生耳熟能详的成语“水往低处流，人往高处走”后面添加一句“热往低温传”，体现自然过程发生是有方向的，学生就觉得很好理解.
当然，热量从高温物体向低温物体散发，也存在一个流畅性的问题. 比如一个人热得出汗了，要向周围空间散发热量，我们就希望周围的空气流动，以加快散发的速度. 我们地球持续地接收着太阳的辐射热量，为了使地球的环境温度稳定在一个恰当的值，就必须向周围空间以红外线的形式散发热量. 以前这种接收和散发长时间维持在适当的比例上，使得地球上的生灵得以生存和发展，但近几十年来由于二氧化碳的过量排放，它像一件保暖内衣包裹着地球，使红外线的外散辐射被抑制，结果导致温室效应，地球变暖，出现了严重的环境问题. 如果不有效地控制二氧化碳的排放，物种灭绝的现象将愈演愈烈，生态环境越来越恶化. 以保暖内衣比喻温室效应，显得形象生动.
1986年8月在日本东京举行的国际物理教学研究会上(ICPE)，一位代表对“微观过程是可逆的，宏观过程是不可逆的”的物理现象作了一个比喻，好比两条狗，一条黑狗上生满了跳蚤 ，另一条黄狗是干净的，两条狗站在一起，跳蚤可以从黑狗身上跳到黄狗身上，当然也可以再从黄狗身上跳回黑狗身上，跳蚤跳来跳去的过程相当于微观过程是可逆的，但最后无论是黄狗还是黑狗都不可能是干净的，即从宏观上看，跳蚤从黄狗身上完全跳回黑狗身上，使黄狗重新成为干净这一宏观的逆过程是不可能发生的，这一比喻形象生动，受到与会代表赞赏，“狗蚤回跳”，也成为了热力学第二定律教学案例的一个典故.
二、体现人文价值，培养学生节能环保方面的正确价值观和社会责任感
如果说科学的第一要义是求真，那么人文的第一要义是求善. 通过热力学第二定律的学习，使学生理性地认识到能量是一切物质运动的源泉，是一切生命活动的基础. 能量在数量上虽然守恒，但其转移和转化是具有方向性的，人们的一切生产、生命活动中，都在把机械能、电能、核能、生物能……概而言之一句话，把千古积累的和正在接收到的太阳能，最终转化为内能，把有序度大的能量变成无序度大的能量，即能量耗散. 随着能量的耗散，能量从高品质转化为低品质，虽然能量不会减少但能源却越来越少. 化石能源不但资源有限，而且对环境造成很大的破坏.
学生只有通过对于能量耗散和环境破坏原因的深刻理解，才能逐渐自觉树立节能环保的责任意识，并转化成自觉行动和良好习惯. 你今天开车烧掉了10升汽油，地球的资源就减少了10升. 全世界的人合起来，就是一个庞大的数字. 反过来同样是一个巨大的数字，若每一个人日常生活中节约一点，那么对全球能源应用的意义同样重大. 从另一个角度看，还应该开发新能源，如太阳能，你使用太阳能热水器洗一个澡，单纯地从成本核算看，可能并不比电热器省，或者说也完全可以负担得起，但从节能环保的角度看，却完全是两码事. 因此从人文教育的角度审视，通过本块内容的学习，应该使学生们从小就被要求养成的一些良好习惯，诸如随手关灯的习惯，尽量少开空调的习惯，节约一张纸的习惯等等，提升到理性的高度.
三、挖掘人文意蕴，在学习热力学第二定律过程中领略物理美
在奥地利物理学家玻耳兹曼的墓碑上，镌刻着这样的碑文：
S=KlnW
这正是定量表示熵S和微观态数W之间关系的玻耳兹曼公式，其中K就是著名的玻耳兹曼常数. 这个公式闪烁着物理大师的创造和发现的智慧之美，而这块雕刻着公式的墓碑更闪烁着后人尊重科学尊重大师的人文之美.
我们学习过的物理定律和定理，一般都有法定的严密的逻辑表达形式，可是学生会发现，教材中热力学第二定律有好几种表达. 德国物理学家克劳修斯在1850年指出：热量不可以自发地从低温物体传到高温物体;英国物理学家开尔文于1851年在分析了热机及其他涉及做功的热学过程后指出：不可能从单一热源吸热，使之完全变成功，而不产生其他影响;从微观的角度也可以这样表达：一切自然过程总是沿着分子运动无序性增大的方向进行;还有一种比较专业的表达：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少，所以把热力学第二定律又叫做熵增加原理;在气体对真空膨胀的过程中又表述为“气体向真空的膨胀是不可逆的”：甚至在化学里被表述为“自发的化学过程总是朝着释放热量或无序程度增加的方向进行”等等.
物理学的理论体系呈现高度的和谐美、统一美和简洁美. 上述几种表述和谐统一互通，最终以熵增原理简洁而完美地表达，正是物理美的体现. 正如宋代诗人苏轼描绘庐山诗中所云：“横看成岭侧成峰，远近高低各不同. ”热力学第二定律如同一座雄伟秀美的山川，多角度的表述，正是其丰富而深刻的内涵和物理学家们为认识客观世界而付出的创造性劳动的体现.
四、拓展人文视角，注重与相关学科的交叉综合
在生物学中，生物进化过程意味着从低级向高级，从无序到有序. 而热力学第二定律指出自然过程从有序到无序. 二者是否矛盾?
其实，根据耗散结构理论，有机体作为一个开放的耗散结构，它的产生既要靠外界不断提供物质和能量，还必须要向这个开放系统提供“负熵流”，也就是输入系统的熵必须小于输出的熵，系统有净熵输出. 对于动物来说，生命攸关的低熵物质有两类：低熵高能的食物(如碳水化合物)和低熵低能的净液态水，排出的高熵物质如二氧化碳、水汽、尿、汗和其他排泄物. 如图1，正是有机体作为开放系统自身熵的不断减少，导致生物体从无序向有序的进化. 热力学第二定律和生物进化论，同属19世纪科学上最伟大的发现，得到很好的统一.
在高中化学中，其教学进度先于物理就出现了“焓变”和“熵变”的概念. 用焓变的正负、大小来描述化学反应中物质的能量状态改变情况. 如果能量状态降低，则焓变就能够自发地进行化学反应，其焓变值越大，就标志释放的热量越多，反应进行得越彻底;用熵变的正负、大小来描述化学反应前后物质的无序程度，如果无序程度增大则熵变,就能够自发地进行化学反应，熵变越大，越有利于反应自发进行. 在2009年浙江省高考自选模块的调测卷中，有一个其中选项为“一杯30℃的水放在空气中，温度慢慢降到10℃，这杯水的熵增加”的选择题，许多物理老师想当然地认为自发的热传递过程熵必定增加，这完全符合热力学定律，错误地选取了这个选项，而学生却多能从化学的角度出发，认为这杯水的温度降低，分子热运动的有序度变好，所以它的熵是减少的. 这里从物理的角度讲，是没有注意到“孤立系统”的前提，应该是这杯水的熵减少，环境空气的熵增加，这杯水和环境空气组成的孤立系统的熵增加.
在高中地理教学中非常强调能源问题和环境问题，在政治经济学中，也多次讨论能源和环境. 如其各自为政，孤军作战，不如相互联系，相互穿插，综合性地解决问题，这样可以大大提高教学的有效性，有利于学生人文素质和综合能力的提高.
作者：杨科军
热力学第二定律
【教材分析】 本节介绍热力学第二定律，该定律与热力学第一定律是构成热力学知识的理论基础，热力学第一定律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，热力学第二定律解决哪些过程可以发生，教学时要注意讲清二者的关系。
对于热力学第二定律，教材先从学生比较熟悉的热传导过程的方向性入手，研究与分子热运动有关的过程的方向性问题，以期引起学生思维的深化，也作为学习热力学第二定律的基础。
教材介绍了热力学第二定律的两种表述：一种是按照热传导过程的方向性表示，另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述，这两种表述都表明：自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。
第二类永动机是指设想中的效率达到100%的热机，由于在自然界中把热转化为功时，不可避免地把一部分热传递给低温的环境，所以第二类永动机不可能制成。 【设计思想】
1. 从实际问题导入，从简单的实验开始，尽可能引导学生联系自己熟悉的，身边的生活现象的实例，在教学内容上使物理贴近学生生活、联系社会实际，体现《标准》倡导的“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。
2. 积极创设情景，开展师生、生生间的对话交流，开展小组合作讨论学习，使教学过程能够确立学生在教学活动中的中心地位，让学生从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益，体现以学生为中心的原则。 3.热力学第二定律不象以往的实验定律可以推导和验证，是在大量实验事实的基础上总结出来，内容的表述比较抽象和难以理解，教师要引导学生对关键词的作深刻地理解，要引导学生多运用实例来辅助理解。
4.夯实知识基础，灵活运用技能是三维教学目标中第一要素，本节课除了使用教材中“问题与练习”外，还设计了四道练习题，在教学过程中结合学生的学习状况灵活使用，帮助学生更好理解定律。《课后思考题》有助于学生更深刻地理解定律。 【教学目标】
一、 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。
二、 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。
【教学目标】
一、知识和技能
1、能判断涉及热现象的宏观过程是具有方向性的;
2、知道并理解热力学第二定律的两种经典表述;
3、形成关于宏观热现象都具有不可逆性的概念;
4、认识到热力学第一定律与热力学第二定律具有同样重要的意义。
二、过程和方法
分析各种热学现象的过程，归纳出现象背后的普遍规律──热力学第二定律。
三、情感、态度和价值观
1、体会科学发现的曲折性和必然性;
2、体会热力学第二定律对于人类实践的指导意义。
【教学重点和难点】
重点：热力学第二定律内容的理解。
难点：热力学第二定律的两种表述的理解。
【设计思路与教学流程】
设计思路：
本节内容的课程标准是：“通过自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律。”热力学第二定律是紧跟在热力学第一定律之后的一节内容。学生早在初中就知道了能量的转化与守恒定律，在学完了热力学第一定律之后，对于能量守恒的认识就更深刻了。因此在此基础上提出“利用海水降温释放的热量作为新能源”这一设想，让学生思考、讨论而引入新课。然后再列举一些自发的热学现象，归纳出其中共同的特征：过程的不可逆性。然后就其中的热传导与功热转化两个过程具体分析，归纳出热力学第二定律的两种经典表述：克劳修斯表述和开尔文表述。热力学第二定律的实质就是指宏观自发的涉及热现象的过程都是不可逆的，任何一类宏观自发的热学过程都可以作为热力学第二定律的表述。本节课的难点在于如何理解热力学第二定律的两种表述，特别是开尔文表述。教学中尽可能多地让学生分析实例，再借助于一些多媒体素材(我利用了一些视频及热机、内燃机两个flash动画)，从正、反两方面帮助学生形成对热学现象中的过程认识：热量可以自发地从高温物体传到低温物体;功可以全部转化为热;热量可以从低温物体传到高温物体(但要有条件);热可以转化为功(但不完全)。最终认识到热力学第二定律是与热力学第一定律并重的一条客观规律。
教学流程：
【教学资源】
多媒体课件(包括视频及flash动画)
【教学实录】
一、引入新课
师：我们刚刚学过了热力学第一定律，即能量的转化与守恒定律。既然能量的总量是不变的，但为什么还说有能源危机，还要提倡节约能源呢?曾经有这样一个设想(展示幻灯片)，试图来解决我们的能源危机。
(幻灯片内容)地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1oC，将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×103J/(kg·℃)
师：请大家计算一下，上述过程将释放多少能量?
生：放出5.8×1023J的热量。
师：这相当于1800万个大亚湾核电站一年的发电量。(秦山核电站装机容量为30万千瓦、大亚湾核电站装机容量为百万千瓦)(幻灯片)
师：请大家相互讨论一下，该方案可行吗?
„„(学生分组讨论)
生1：这个方案可行，因为不违背能量守恒定律。
生2：这个方案不可行，若可行的话，科学家早就将这一想法付诸实践了。
生3：不同意2的说法。并不是我们能想到的就一定能实现的。
„„
二、提出热力学第二定律
师：那么这一想法实现的困难是技术上的障碍呢?还是理论上根本不可能?是否还存在一些除了能量的转化与守恒定律之外的一些我们还必须遵循的客观规律呢?现在让我们一起来学习本章第五节：热力学第二定律。
师：我们先从分析一组物理现象开始。请看下面的一些视频：①空气和二氧化氮气体的扩散;②烧红的铁棒浸入水中冷却;③向密闭的广口瓶中充气，将瓶塞充开;④在草坪上滚动的足球最终停下来;⑤一玻璃杯从桌子边缘摔在地面上破碎。(展示视频)
师：这些是我们眼中能看到的现象，大家能否描述一下上述现象的逆过程?并判断这些逆过程可能实现吗?注意语言表述的准确性，大家相互讨论一下。
„„(学生分组讨论)
生1：现象①的逆过程是均匀混合的空气与二氧化氮气体过一段时间变的泾渭分明：上面是空气，下面是二氧化氮。该过程不可能。
生2：现象②的逆过程是浸在水中的铁棒过一段时间后吸收水的热量变红了，而水温降低了。该过程不可能。
生3：现象③的逆过程是从瓶中冲出去的气体又自动回到瓶中，瓶中气体的压强达到了将瓶塞冲开时的压强。该过程不可能。
生4：现象④的逆过程是静止在草坪上的足球自动地吸收草地的热量转化为足球的动能，足球滚了起来。该过程不可能。
生5：现象错误!链接无效。的逆过程是碎在地面上的玻璃杯自动地变成完整的杯子，并跳回桌面。该过程不可能。
师：所有的这些现象有何共同特征?
生：都是不可逆的。
师：既然在不同的现象背后存在着一个共同特征，那么就应该存在着一个普遍的客观规律。事实上，许多科学家已经从不同的角度分别进行了归纳总结，提出了热力学第二定律。
三、热传导过程分析──克劳修斯表述
师：分析诸如②的热传导过程，要发生热传导必须具备什么条件?
生：要有温度差。
师：那么自发的热传导过程有什么特征?
生：总是从高温物体向低温物体传导。
师：热量能否从低温物体传导到高温物体?
生1：不能，诸如②中不可能出现铁棒变红、水温降低的现象。
生2：可能的，电冰箱工作时就是将热量从低温环境传导到高温环境。
师：很好，让我们一起来分析电冰箱的工作过程。请考虑三个问题：一是电冰箱中热量传导的方向性;二是电冰箱中这种热量传导有没有条件?三是分析电冰箱工作时能量转化情况。请大家相互讨论一下。
„„(学生分组讨论)
生1：电冰箱工作时是将热量从低温环境传到高温环境;
生2：只有在电冰箱插上电源后，才能实现上述热量传导过程;
生3：电冰箱工作时，消耗了电能。
师：电冰箱工作时，消耗了电能，再考虑电冰箱制冷剂在箱内吸收的热量与在箱外释放的热量，该过程中能量守恒吗?
生4：能量肯定是守恒的，也许释放到电冰箱外的热量大于在电冰箱内吸收的热量。
师：你的说法不错，诸如过程②和电冰箱的工作过程可以用下面的流程图来表示：
可见，热量传导可以从低温物体到高温物体。可以设想，拔掉电源的冰箱是不可能达到制冷效果的，也就是下面的过程不可能：
(展示幻灯片)
师：早在1850年德国物理学家克劳修斯总结了热传导过程的规律，称之为热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体。请大家再将这一意思换一种表述方法。
生：也可以说成：热量不可能从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。
四、功热转化过程分析──开尔文表述
师：足球在草坪上滚动最终停下来，试分析该过程中的能量转化情况。
生：足球的动能转化为内能。
师：再比如小球从高处落下掉进沙坑，能量的转化情况怎样?
生：小球的机械能转化为内能。
师：机械能可以全部转化为内能，那么内能能否转化为机械能?
生1：不能，因为上面的过程是不可逆的。
生2：可以的，热量可以由高温物体传到低温物体，但也可以由低温物体传到高温物体。
师：你的类比不错。这一问题先搁一下，我们再分析两个实例：一是热机;二是内燃机。(展示flash动画)
请观察热机与内燃机的工作流程，并分析能量转化的情况。
生1：热机工作过程中，锅炉中的水被加热变成水蒸气，水蒸气推动汽缸活塞对外做功，然后排出的尾气经过冷凝器变成液态水回到锅炉。该过程中的能量转化过程是：煤的化学能转化为水蒸汽的内能，再变为活塞运动的机械能。
生2：内燃机工作过程中，先吸入空气与汽油的混合气体，接着活塞向上运动压缩混合气体，点火后混合气体爆炸，推动活塞对外做功，最后将汽缸中的尾气排出。该过程中混合气体的内能转化为机械能。
师：以上两个过程都存在内能转化为机械能的现象。请分析这些过程中，内能全部转化为机械能吗?
生3：不能，因为机械装置存在摩擦损耗，要消耗部分能量。
生4：从汽缸中排出的尾气也带走了部分能量。
师：这样看来，机械能与热能之间的转化也可以用下面的流程图来表示：
(展示幻灯片)
师：热机或内燃机就是从高温热源吸收热量Q1，其中对外做功为W，到低温热源放出热量Q2。这一过程是通过工作物质如水蒸气、汽油和空气混合气体的燃烧等来完成，这些工作物质简称为工质。即使将摩擦损耗的能量理想化地降低到零，也不可能排除尾气带走的热量。在1851年，开尔文就功与热的转化提出了：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其它影响。这就是热力学第二定律的开尔文表述。所以热机、内燃机的效率总有：。即下面的过程是不可能完成的：
(展示幻灯片)
师：大家能否就开尔文表述换一种说法?
生：不可能有效率为100%的热机。
师：这种说法更简洁。事实上，一般的汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60% 。
五、热力学第二定律的实质
师：热传导过程与功热转化过程的分析，得到了热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述。这两种表述的共同点是什么?
生：都指明了物理进程的一种方向性。
师：不错，热力学第二定律的实质就是指明了自发的宏观热现象具有方向性。任何一类宏观自然过程进行方向的说明可以作为热力学第二定律的表述。请观察扩散现象、气体向真空扩散的过程(展示幻灯片)。大家能否结合这些现象给出热力学第二定律的其他表述呢?
生1：热力学第二定律也可表述为：扩散过程是不可逆的。
生2：热力学第二定律也可表述为：气体向真空中自由膨胀的过程是不可逆的。
师：这些说法都不错，当然还有其他不同的表述，所有的这些表述都是等价的。请同学们课后相互讨论交流。
六、回顾与思考
师：现在让我们来回顾一开始提出的设想：能否利用海水降温的方法获取有用功?
生1：不行，该过程尽管不违背能量守恒定律，但却违背了热力学第二定律。
师：违背了热力学第二定律中的哪种表述?
生2：违背了开尔文表述。即不可能从海水这单一热源吸收热量，使之变为有用功，而不产生其他影响。
师：不错。但是在没有发现热力学第二定律之前，有许多科学家就试图制造诸如此类的机器，这称之为第二类永动机。现在看来，第二类永动机也不可能实现。开尔文表述是从功能关系来表述的，因此开尔文表述也可说成：第二类永动机不可能实现。可见我们不仅要受制于能量的转化与守恒定律，还要受到能量转化方向的制约。也可以说热力学第一定律指明了我们所拥有的“资本”总量;热力学第二定律则规定了我们“资本”运营的方式和方法。
课后请同学们再利用热力学定律说明开始的五个视频的逆过程为什么不能完成，并完成教材后的问题与练习题。
【教学反思】
与热力学第一定律不同的是，热力学第二定律与日常的生活、学习较远，并且热力学第二定律的两种表述实质上是通过大量实例归纳出来的，因此教学过程中利用好学生熟悉的热学现象和曾经接触过的物理模型就非常重要。而课堂中学生积极主动地发表个人的看法，不管是对的，还是错的，都对本课达成教学目标起到的推进作用。教学中利用流程图形象地将能量转化与守恒的特征与转化的方向性特征并重地表示出来，并从多角度描述热力学第二定律，有效地帮助学生建构了比较完整的宏观热学规律体系。
【教材分析】
本节介绍热力学第二定律，该定律与热力学第一定律是构成热力学知识的理论基础，热力学第一定律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，热力学第二定律解决哪些过程可以发生，教学时要注意讲清二者的关系。
对于热力学第二定律，教材先从学生比较熟悉的热传导过程的方向性入手，研究与分子热运动有关的过程的方向性问题，以期引起学生思维的深化，也作为学习热力学第二定律的基础。
教材介绍了热力学第二定律的两种表述：一种是按照热传导过程的方向性表示，另一种是按照机械能与内能转化过程的方向性表述，这两种表述都表明：自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，教学时，要注意说明这两种不同表述的内在联系，讲清这两种表述的物理实质。
第二类永动机是指设想中的效率达到100%的热机，由于在自然界中把热转化为功时，不可避免地把一部分热传递给低温的环境，所以第二类永动机不可能制成。
【设计思想】 1. 从实际问题导入，从简单的实验开始，尽可能引导学生联系自己熟悉的，身边的生活现象的实例，在教学内容上使物理贴近学生生活、联系社会实际，体现《标准》倡导的“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。
2. 积极创设情景，开展师生、生生间的对话交流，开展小组合作讨论学习，使教学过程能够确立学生在教学活动中的中心地位，让学生从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益，体现以学生为中心的原则。
3.热力学第二定律不象以往的实验定律可以推导和验证，是在大量实验事实的基础上总结出来，内容的表述比较抽象和难以理解，教师要引导学生对关键词的作深刻地理解，要引导学生多运用实例来辅助理解。
4.夯实知识基础，灵活运用技能是三维教学目标中第一要素，本节课除了使用教材中“问题与练习”外，还设计了四道练习题，在教学过程中结合学生的学习状况灵活使用，帮助学生更好理解定律。《课后思考题》有助于学生更深刻地理解定律。
【教学目标】
一、 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。
二、 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。
三、 1. 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%。
2. 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 【课前准备】：
教师：多媒体课件，一个电冰箱模型，一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳。 学生：课前预习课文，在家观察自家的电冰箱。 【教学设计】：
引入新课：
【问题】我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量;当物体温度降低时，就要放出热量。而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
且热量公式Q = cm△t，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×10t , 如果这些海水的温度降低0.1C,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×10J/(kg·℃)。下面请大家计算一下。
学生计算：Q = 4.2×10×1.4×10×10×0.1 J = 5.8×10J 这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这“新能源”呢?原来，这样做是不可能的，这涉及物理学的一个基本定律，这就是本节要讨论的热力学第二定律。
【设计意图】：从实际问题入手，唤起学生对学习的兴趣。从学生已有的热学知识出发引入新的知识，使过渡自然，减少学生对新知识的唐突性。
【板书】 第四节 热力学第二定律
【板书】
一、热传递的方向性
教师实验，点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在如果用手摸会出现什么现象?下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗?通过这个实验说明什么问题?
学生思考，教师给予启发
学生答：热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体
再让学生列举一些这样的例子，例如：雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等。 利用课本中“思考与讨论”开展小组讨论并进行对话交流。
教师反问学生：有没有可能发生这样地现象，热量自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气?
事前我们让大家观察自家的电冰箱，请同学做简要的回答，教师进行点拨。然后，展示电冰箱模型给学生简要讲解(多媒体课件)。
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这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。
【学生总结】热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。
【板书】结论:热力学第二定律的一种表述:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。这是热力学第二定律的克劳修斯表述。
老师讲解对定律的理解:这里阐述的是热传递的方向性.在这个表述中,“自发”二字指的是:当两个物体接触时,不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,热量就能从一个物体传向另一个物体.当两个温度不同的物体接触时,这个“自发”的方向是从高温物体指向低温物体的。
教师指出：热力学第二定律的克劳修斯表述实质上就是：热传递过程是不可逆的。 【设计意图】：
1. 联系学生熟悉的，身边的生活现象，使知识的学习贴近学生的生活，使学生感受物理知识就在身边，存在于生活，强化学生的实践意识，使情感成为学习动力。
2. 通过师生的对话交流，在互动中实现思维的碰撞，突出学生的学习过程，体现以学生为中心的原则，从自己的学习体验和感悟中获得知识，向学生学习活动要效益。
3. 热力学第二定律的克劳修斯表述中的“自发”是定律表述的关键词，教师要引导学生作深刻理解。 【板书】
二、热力学第二定律的另一种表述(第二类永动机)
前面我们学习了第一类永动机，不能制成的原因是什么?(违背了能量守恒)，什么是第二类永动机呢? 分组合作学习，思考讨论下列问题： 1.热机是一种把什么能转化成什么能的装置? 2.热机的效率能否达到100%? 3.第二类永动机模型 4.机械能和内能转化的方向性
然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨 1.热机是一种把内能转化成机械能的装置 2.热机的效率不能达到100% 原因分析：
以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，
由能量守恒定律可知：Q1 = W + Q2
我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用η表示 η=W / Q1
实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有：Q1>W 因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的效率比较高，也只能达到60%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。
师生总结:热力学第二定律的另一种表述: 【板书】不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功,而不产生其他影响。这是热力学第二定律的开尔文表述 (也称第二类永动机)。
教师应该强调定律内容“而不产生其他影响”这个条件，举出“绝热膨胀”的例子加以说明。 第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。
为什么第二类永动机不可能制成呢?
因为机械能和内能的转化过程具有方向性。机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化。
再举实例，说明有些物理过程具有方向性。
〈学生思考回答，教师引导点拨〉 1.气体的扩散现象。
2.书上连通器的小实验(气体向其中膨胀)。 【板书】热力学第二定律的两种表述
表述一：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化
(按照热传递的方向性来表述的)
表述二：不可能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。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。(机械能与内能转化具有方向性)
这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。
热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。(自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性)。
因此,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。如图中,盒子中间有一个挡板,左室为真空,右室有气体。撤去挡板后右室的气体自发地向左室扩散,而相反的过程不可能自发地进行。因此，热力学第二定律也可以表述为:气体向真空的自由彭胀是不可逆的。
【注意】 ：不管如何表述，热力学第二定律的实质在于揭示了：一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。
【本节小结】:回过头分析引入的例子,学生应用热力学第二定律分析,老师点拨总结。进一步说明第二类永动机不能制成的,违背热力学第二定律。
【设计意图】：
1.热力学第二定律的开尔文表述比较抽象和难以理解，需要学生通过合作学习，在讨论和交流中认识规律，再通过教师的点拨指导才能更好的理解和掌握规律。
2. 热力学第二定律是在大量实验事实的基础上总结出来的，教学过程要引导学生多运用实例来辅助理解。
3. 分析引入的例子，学生应用热力学第二定律分析，师生共同小结本节内容，首尾呼应，学以致用。
5. 3《热力学第二定律》教案3 [教学目标]：
1、了解热传导过程的方向性
2、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可制成
3、了解热力学第二定律的两种表述方法以及这两面三刀种表述的物理实质
[教学重点与难点]：热力学第二定律，研究性学习的课题选择及材料的收集 [教学方法]：学生课堂自学结合讨论归纳 [教学过程]：
一、 复习提问
1、热力学第一定律研究是做功与对物体热传递在改变物体内能上的关系，可以表述为：
2、热力学第一定律说明了能量间相互转化过程中遵守的规律：能量转化与守恒定律。
3、第一类永动机不可能制成是因为它违背了
。
二、 新课讲授
[学生带着问题阅读、讨论]： 思考：
1、何为热传导的方向性?
2、什么是第二类永动机?它违背了什么规律?
3、何为热力学第二定律?它有几种表述方法?
归纳：
一)、热传导的方向性： 高温物体只能“自发地”将热量传给低温物体，而低温物体
必须要依靠外界的辅助才能将热量传给高温物体。 二)、第二类永动机
1、没有冷凝器的能从单一热源吸收热量并全部用来做功而不引起其他变化的热机。
2、特征：符合能量守恒定律;不可能引起其他变化 。
3、结论：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，
但内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其它变化 三)、热力学第二定律
表述一：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不产生其他变 化。<按热传导
的方向性表述)
表述二：不可能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。<按
能量转化的方向性表述)
小结：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
例1 下列所述过程是可逆的，还是不可逆的?
1 / 3 A.气缸与活塞的组合内装有气体，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸间没有摩擦，气体缓慢地膨胀时;
B.上述装置，当活塞上没有外加压力，活塞与气缸上摩擦很大，使气体缓慢地膨胀时;
C.上述装置，没有摩擦，但调整外加压力，使气体能缓慢地膨胀时;
D.在一绝热容器内盛有液体，不停地搅动它，使它温度升高; E.在一传热容器内盛有液体，容器放在一恒温的大水池内，液体不停地搅动，可保持温度不变;
F.在一绝热容器内，不同温度的液体进行混合; G.在一绝热容器内，不同温度的氦气进行混合; 解读：A.发生自由膨胀，则是不可逆的; B.有摩擦发生，也是不可逆的;
C.是准静态无摩擦的膨胀，则为可逆过程。 D.这是做功变为热的过程，一定不可逆。
E.此过程中既有“功变热”又有“热传导”，也是不可逆过程。 F.液体的扩散是不可逆过程。
G.有一定温度差的热传导是不可逆过程。
申明：
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六 热力学第二定律
【教学目标】
1、 了解热传导过程的方向。
2、 了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可能制成。
3、 了解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。
4、 指导学生分析事例，培养学生分析问题和理论联系实际的能力 【重点、难点分析】
1、热力学第二定律表述的物理实质
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】 一课时 【课前准备】
一盆凉水，准备一个酒精灯和一个铁块，铁钳 【教学设计】
引入新课
我们在初中学过，当物体温度升高时，就要吸收热量;当物体温度降低时，就要放出热量。而且热量公式Q = cm△t，这里有一个有趣的问题：地球上有大量的海水,它的总质量约为1.4×10t , 如果这些海水的温度降低0.1C,将要放出多少焦耳的热量?海水的比热容为C=4.2×10J/(kg·℃)。下面请大家计算一下。
学生计算：Q = 4.2×10×1.4×10×10×0.1 = 5.8×10J 这相当于1800万个功率为100万千瓦的核电站一年的发电量。为什么人们不去研究这“新能源”呢?原来，这样做是不可能的，这涉及物理学的一个基本定律，这就是本节要讨论的热力学第二定律。
【板书】 第六节 热力学第二定律
【板书】
一、热传导的方向性
教师实验，点燃酒精灯，用钳夹住事先准备好的铁块，在火焰上灼烧一段时间后，问学生现在用手摸会出现什么现象?下面把灼热的铁块放入冷水中，过一段时间，拿出铁块现在你们敢用手摸吗?通过这个实验说明什么问题?
学生思考，教师给予启发
学生答：热量从温度高的物体自发地传给温度低的物体 再让学生列举一些这样的例子
例如：雪花落在手上就融化，挨着火炉就温暖等等
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用心 爱心 专心 1 教师反问学生：大家是否想过热量为什么不会自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”，指的是没有任何外界的影响或帮助。学生思考讨论一会后，有的同学可能产生疑问：电冰箱内部的温度比外部低，为什么致冷系统还能够不断地把冰箱内的热量传给外界的空气?
展示电冰箱模型给学生请同学做简要的回答，教师进行点拨。
这是因为电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功。一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。
学生总结：
热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体。要实现相反过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其他变化。
再举实例，说明有些物理过程具有方向性
1、气体的扩散现象
2、书上连通器的小实验 (气体向外膨胀)
【板书】
二、机械能和内能转化的方向性
机械能全部转化成内能，内能却不能全部转化为机械能，同时不引起其他变化 【板书】
三、热机：1热机是一种把热(内)能转化成机械能的装置?
学生回忆初中所学过的内燃机的工作过程思考：
1、热机是一种把什么能转化成什么能的装置?
2、热机的效率能否达到100%?
然后由各小组代表回答，教师进行思路点拨
1、 热机是一种把内能转化成机械能的装置
2、 热机的效率不能达到100% 原因分析：
以内燃机为例，气缸中的气体得到燃烧时产生的热量为Q1，推动活塞做工W，然后排出废气，同时把热量Q2散发到大气中，
由能量守恒定律可知：Q1 = W + Q2
我们把热机做的功W和它从热源吸收的热量Q1的比值叫做热机的效率，用 表示 η=W / Q1
实际上热机不能把得到的全部内能转化为机械能，热机必须有热源和冷凝器，热机工作时，总要向冷凝器散热，不可避免的要由工作物质带走一部分热量Q2，所以有： Q1>W 因此，热机的效率不可能达到100%，汽车上的汽油机械效率只有20%～30%，蒸汽轮机的
用心 爱心 专心 2 效率比较高，也只能达到60%，即使是理想热机，没有摩擦，也没有漏气等能量损失，它也不可能把吸收的热量百分之百的转化成机械能，总要有一部分散发到冷凝器中。
【思考题】：
1、根据以上的热机工作图，我们应该采取怎样的措施来提高燃料的利用效率。
2、通过对以上知识的学习你有什么体会?(按客观规律办事，科学实践要有正确的理论指导)
【板书】
四、第二类永动机
什么是第二类永动机呢?
能从单一热源吸收热量，然后全部用来做功，而不引起其他变化的机器，称为第二类永动机。
第二类永动机并不违反能量守恒定律，人们为了制造出第二类永动机作出了各种努力，但同制造第一类永动机一样，都失败了。
为什么第二类永动机不可能制成呢? 因为机械能和内能的转化过程具有方向性。 【板书】
五、热力学第二定律 【板书】热力学第二定律的两种表述
表述一：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。(克劳修斯表述) (按照热传递的方向性来表述的)
表述二：不可能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。也可表述为第二类永动机是不可能制成的。(开尔文表述)
(机械能与内能转化具有方向性)
这两种表述是等价的，可以从一种表述导出另一种表述，所以他们都称为热力学第二定律。
热力学第二定律揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性。(自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性)
五、结：(学生进行总结) 【随堂练习】
1、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 全部转化成机械能，而不引起
用心 爱心 专心 3 其他变化。
2、热传导的规律为： ( )
A、热量总是从热量较多的物体传递给热量较少的物体 B、热量总是从温度较高的物体传递给温度较低的物体 C、热量总是从内能较多的物体传递给内能较少的物体 D、热量总是从比热容较大的物体传递给比热容较小的物体 思考题：
一种冷暖两用型空调铭牌标注有如下指标：输入功率1KW，制冷能力1.2×10KJ/h，制热能力1.3×10 KJ/h。这样，该空调在制热时，每消耗1J电能，将放出3J多热量，是指标注错误还是能量不守恒呢? 4
4
用心 爱心 专心 4
热力学第二定律的微观解释 教案
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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。
诱思导学
1.有序和无序
有序：只要确定了某种规则，符合这个规则的就叫做有序。
无序：不符合某种确定规则的称为无序。
无序意味着各处都一样，平均、没有差别，有序则相反。 有序和无序是相对的。 2.宏观态和微观态
宏观态：符合某种规定、规则的状态，叫做热力学系统的宏观态。
微观态：在宏观状态下，符合另外的规定、规则的状态叫做这个宏观态的微观态。 系统的宏观态所对应的微观态的多少表现为宏观态无序程度的大小。如果一个“宏观态”对应的“微观态”比较多，就说这个“宏观态”是比较无序的，同时也决定了宏观过程的方向性——从有序到无序。
3.热力学第二定律的微观意义
一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行。 4.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
一个系统的熵是随着系统状态的变化而变化的。在自然过程中，系统的熵是增加的。 在绝热过程或孤立系统中，熵是增加的，叫做熵增加原理。对于其它情况，系统的熵可能增加，也可能减小。
从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。
典例探究
例1 一个物体在粗糙的平面上滑动，最后停止。系统的熵如何变化?
解析：因为物体由于受到摩擦力而停止运动，其动能变为系统的内能，增加了系统分子无规则运动的程度，使得无规则运动加强，也就是系统的无序程度增加了，所以系统的熵增加。
友情提示：本题考查的是对熵增加原理的理解和应用。
课后问题与练习点击：
1.解析：①全是甜的，对应的微观态1个，宏观态出现的概率是1/32;②全是咸的，对应的微观态1个，宏观态出现的概率是1/32;③1甜4咸，对应的微观态5个，宏观态出现的概率是5/32;④4甜1咸，对应的微观态5个，宏观态出现的概率是5/32;⑤2甜3咸，对应的微观态10个，宏观态出现的概率是10/32;⑥3甜2咸，对应的微观态10个，宏观态出现的概率是10/32; (3)概率
(4)无序性增大了
3.略
基础训练 1.一定质量的气体被压缩，从而放出热量，其熵怎样变化? 2.保持体积不变，将一个系统冷却，熵怎样变化?
多维链接
1.熵与熵增加原理
“熵”是什么?“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语，他用熵来表示任何一种能量在空间分布的均匀程度。能量分布得越均匀，熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说，能量完全均匀地分布，那么这个系统的熵就达到最大值。简单的说，“熵”就是微观粒子的无序程度、能量差别的消除程度。
在克劳修斯看来，在一个封闭的系统中，运动总是从有序到无序发展的。比如，把一块冰糖放入水中，结果整杯水都甜了。这就是说，糖分子的运动扩展到了整杯水中，它们的运动变得更加无序了。对于一个封闭的系统，能量差也总是倾向于消除的。比如，有水位差的两个水库，如果把它们连接起来，那么，重力就会使一个水库的水面降低，而使另一个水库的水面升高，直到两个水库的水面均等，势能取平为止。
克劳修斯总结说，自然界中的一个普遍规律是：运动总是从有序到无序，能量的差异总是倾向变成均等，也即“熵将随着时间而增大”。 2.宇宙热寂说
克劳修斯把他的熵增加原理应用到无限的宇宙中去，得出了“宇宙热寂说”。
“宇宙热寂说”主要有以下几个结论：第一，宇宙的离散度不断增加。第二，所有的机械运动都转化为热运动。第三，热量停止传递。最后我们可以设想出这么一个宇宙的图景：宇宙的有效生命将停止。能量还保存着，但已失去一切活动的能力，它无力再使宇宙运动，正如一潭死水不能使水车转动起来一样，我们将处在一个死寂的、热的宇宙中。
但宇宙真会热寂吗?首先，热力学试验成果是以有限的、孤立封闭的系统为研究对象的。以有限的范围、有限的事件得出的规律能否推广到全宇宙呢?其次，自然界的规律是否同样适用于高级的生命运动呢?第三，黑洞理论指出，宇宙的离散度并非不断增加。宇宙中存在的黑洞在不断地吸引物质。所以说，克劳修斯的“宇宙热寂说”仅仅是一种形而上学的自然观，我们不必杞人忧天地担心宇宙会进入“热寂”。 3.大爆炸理论
大爆炸宇宙理论认为，宇宙的演化是从物质分布为均匀的状态演化到非均匀状态。宇宙膨胀是引力理论的一个结果，在宇宙范围内，引力是主导的，引力系统的热力学与无引力的热力学会导致十分不同的结论。比如，原来密度均匀的物质由于涨落可产生密度差，在引力占主导的条件下，高密度区域会吸引更多的物质而使密度变得更高，更多的物质会逃离低密度区而使密度变得更低。各种星体就是通过这种非均匀化过程聚集而成的。经典热力学的结论是不考虑引力，在静态空间下证明的，不适用于引力占主导地位的膨胀宇宙。
应该指出，在一个非孤立的、有能量输入的系统中，熵是完全可以减小的。比如地球就是这样一个系统，它源源不断地吸收太阳能，而最终进化出了一个和谐有序的生物世界。
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