1、第十章 热力学定律 物理名言：在自然过程的庞大工厂里，熵的原理起着经理的作用，因为它规定整个企业的 经营方式和方法；而能的原理仅仅充当了簿记员，平衡着贷方和借方R 埃姆登（1862- 1940） 。 德国物理学家，主要从事天体物理学研究。 冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。人类不但掌握了精确的测温控温方法， 还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现科学的奇迹。物理学中 的热学，已经成为当代科技中最活跃的领域之一。 10.1、2 功和内能 热和内能 三维教学目标 1、知识与技能 （1）了解内能改变的两种方式：做功、热传递； （2）理解内能的变化可以分别由功和热量来量度，
2、知道做功和热传递对改变物体内能是等效的； （3）知道什么是绝热过程。 2、过程与方法：通过书本中的事例体会做功和热传递都能改变物体的内能。 3、情感、态度与价值观： 教学重难点 （1）改变内能两种方式及内能改变量度； （2）对做功和热传递对改变内能是等效的理解。 教学教具：细铁棒、铁锤、洒精灯、木块、厚壁玻璃筒（带活塞） 、硝化棉、乙醚、学生每人准备一小 段钢丝等 教学过程： 第一节 功和内能 热和内能 （一）复习引入 提问： （1）什么是物体的内能？（物体内所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能） （2）什么叫分子的动能？它和哪些因素有关？（由于分子在不停地做着无规则热运动而具
3、有的动能它 与物体的温度有关，温度是分子平均动能的标志） （3）什么叫分子的势能？它和哪些因素有关？（分子间存在相互作用力，分子间具有由它们的相对位置 决定的势能，这就是分子势能，它和物体的体积有关） （4）物体的内能和哪些因素有关呢？（与物体的温度和体积有关） 小结：通常情况下，对固体或液体，由于体积变化不明显，主要是通过温度的变化来判断内能是否改变。 （二）新课教学 1、提出问题 如何改变物体的内能呢？物体内能的变化可以通过什么表现出来呢？或者说怎样判断一个物体（如一 杯水、一块铁块）的内能是否改变呢？ 2、寻找解决问题的办法 有的想到“摩擦” ，有的想到“折” ，有的想到“敲打” ，有的
4、想到用“钢锯锯” ，有的想到“烧” ，有 的想到“晒” ，有的想到“烤” ，有的想到“烫” 、 “冰”等等一边想办法，一边体验内能是不是已经增加 了。 3、知识的提练 改变物体内能的物理过程有两种：做功和热传递。 4、新知识的深入探讨 （1）内能改变的量度 如何量度物体内能的改变多少呢？ 10.3 热力学第一定律 能量守恒定律 三维教学目标 1、知识与技能 （1）认识物质的运动形式有多种，对应不同运动形式的运动有不同形式的能，各种形式的能在一定条件 下可以相互转化； （2）进一步掌握能的转化和守恒定律，并了解能的转化和守恒定律的意义； （3）运用公式UWQ 分析有关问题并具体进行计算。 2、过
5、程与方法： 3、情感、态度与价值观： 教学重点：热力第一定律 教学难点：能量守恒 教学教具：多媒体课件 教学过程： 第三节 热力学第一定律 能量守恒定律 （一）复习提问 物体做什么样的运动具有机械能？机械能转化和守恒定律的内容是什么？ （二）新课教学 1、热力学第一定律 分析下列特殊情况： （1）如果物体只与外只有热交换，没有做功，外界传给物体 4J 热量物体的内能增加了多少？物体若向外 界传出了 4J 热量，物体内能如何变化？ 结论：在没有做功情况下，物体与外界间传递热量 Q，物体内能变化为 U，则UQ，为了在此表 达式中能反映物体对外界是吸热不是放热，作出规定：吸热 Q 取正值，放热 Q
6、取负值，由此可知：物体吸 热，内能增加，放热，内能减少。 （2）如果物体和外界不发生热交换，当外界对物体做了 10J 功，物体内能增加了多少？当物体对外做了 10J 功，物体内能又如何变化？ 结论：在无热交换情况下，UW（对外做功时，W 取负值） （3）如果物体内能在改变的过程中，既有热传递又有做功，例如外界对物体做了 10J 的功，同时物体吸 收 4J 热量，物体的内能如何变化？ （4）又如，外界对物体做 10J 功，物体放热 4J 物体内能又如何变化？又物体对外界做了 10J 功，物体吸 热 4J，物体放热 4J 物体内能又如何变化？ 综上所述：在能的转化转移过程中，一个物体，如果没有吸收
7、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；如果它既没有对外做功，外界也没有对其做功，则它从外界吸收多少热量，它的 内能就增加多少。用U 表示物体内能的增量，用 Q 表示吸收的热量，用 W 表示外界对物体所做的功，那 么：UQW 上式就是热力学第一定律。 例 1：一定量的气体从外界吸收了 2.6105J 的热量，内能增加了 4.2105J，外界对物体做了多少功？ 解：根据热力学第一定律得，WUQ4.210 5J2.610 5J1.610 5J 2、能的转化 物体的每一种运动形式都有一种对应的能 机械运动机械能 热运动内能 电荷运动电能 化学运动化学能 生物运动生物能 原子核内
8、部的运动原子能 各种形式的能可以相互转化： 机械能中的动能和势能可互相转化（自由落体运动） ，机械能可以与内能相互转化（摩擦生热，消耗 了机械能通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功把气体内能转化为机械能） ，其它形式 有能也可以转化为内能，如电流通过导体时，把电能转化为内能；炽热的灯丝发光，又把内能转化成光能； 燃烧时，把化学能转化成内能） 3、能量守恒定律 （1）内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能众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，在转化和转移的过程中其总量不变。 4、永动机不可能制成 讨论：第一类永动机是否真的能永远运动下去？（它不可能持
9、续运动的原因：虽然右边每个球的力矩大， 但球的个数少，左边的每个球产生的力矩虽然小，但是球的个数多，于是轮子不会持续转动下去对外做功， 只会摆动几下便停在图中所画的位置上） ，不消耗能量的机器从来没有制成功过。能量不能创生，工程技 术的任务在于设法找出合理利用能源途径和减少能量损耗，而不是去研制永动机。 10.4 热力学第二定律 三维教学目标 1、知识与技能 （1）了解热力学第二定律的发展简史； （2）了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成； （3）了解热传导的方向性； （4）了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质； （5）了解什么是能量耗散。 2、过程与方法
10、： 3、情感、态度与价值观： 教学重点：热力学第二定律及所反映出的热现象的宏观过程的方向性。 教学难点：热力学第二定律中所描述的 “不发生其他变化“。 教学方法：多媒体辅助教学，分析讨论讲解相结合。 教学器材：多媒体演示系统、自制电脑教学软件。 教学过程： 第四节 热力学第二定律 （一）引入新课 提问：热力学第一定律的内容是什么？第一类永动机为什么没有制成？能量守恒定律是怎样表述的？ 在能量守恒定律中，存在着能量的 “转移“和 “转化“，具体到热力学第二定律，内能和内能之间存在 着“转移“以及内能和机械能之间也存在着“转化“的过程，引入课题：热力学第二定律。 （二）新课教学 1、内能的转移:内
11、能转移实质就是热传递。 例 1：冰箱中的冰激凌在停电时的融化过程，引导学生分析融化的原因。 （热量可以从高温物体传递给低 温物体） 冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化。进一步引导学生思考热量只能从高温物体传递给低温物体 这种说法是否妥当。如果不妥当应该怎样说。从而得出所谓的热量从高温物体向低温物体传递是一个自发 的过程，热量从低温物体向高温物体转移需要其他的物理过程参与。 （以模拟动画说明内能转移过程的方 向性） （1）热力学第二定律克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他变化。内能 转移过程的方向性 说明: 不产生其他变化是指没有其他物理过程参与。 2、内能和机械
12、能之间的转化 （1）第二类永动机 瓦特蒸汽机的发明说明人们开始了热机理论的研究， （“热机“就是一种把内能转化为机械能的机械） 1824 年，卡诺在论火的动力中指出 “凡是有温度差的地方就能够发生动力“ 1834 年，克拉珀龙把卡诺这一思想几何化为“卡诺循环“ 热机从高温热源吸收热量 Q，其中一部分对外做功 W，另一部分被释放给低温热源，根据能量守恒定 律 Q1 = Q2 + W =W/ Q1 = (Q1- Q2) /Q1 =1 - Q2/ Q1，可以知道 Q2 越少， 越高，于是人们就考 虑能否让 Q2不存在，这样就可以产生一个 =100的热机，就可以产生另一种永动机，可以看到这种机 械并不
13、违反能量守恒定律，这一类永动机叫第二类永动机。 第二类永动机：能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械。 如果这一类永动机能够制成，它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤等单一热源中不断地吸取能量， 而对外做功。众所周知在空气和海洋中内能是取之不尽的，这样的话飞机不用带油箱，轮船不用带燃料。 人们为此做出了许多努力，做了大量的尝试，但是第二类永动机始终还是没能制成。伴随着一次次的失败， 终于认识到第二类永动机是不可能制成的。 这个结论是开尔文首先提出来的。 （2）开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他变化。即:第二类永动 机是不可能制成的。 说明：热力学
14、第二定律两种表述形式实质是一样的，只是侧重角度不同： （1）克劳修斯表述体现热传导的方向性 （2）开尔文表述体现机械能和内能之间转化的方向性 3、能量耗散 自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用，内能作为能量发展的最终形式是没有办法把这些流 散的内能重新收集起来加以利用。 举例：电能转化为光能再转化为内能：烤火时高温物体的内能变为低温物体的内能都是无法将散失的 内能重新再利用能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。说明能量耗散不 是能量损失，只是可便于利用的能量减少了。 总结：热力学第二定律提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的 一
15、个重要自然规律。 说明：不仅仅在物理上存在这种“方向性“，在其他领域也都存在。比如：化学中的不可逆反应;生物中的 进化过程的不可逆都说明了这一点。 10.5 能源 环境和可持续发展 三维教学目标 1、知识与技能 （1）了解什么是能源，了解什么是常规能源，了解常规能源的储备与人类需求间的矛盾； （2）了解常规能源的使用与环境污染的关系； （3）了解哪些能源是清洁能源，哪些能源可再生； （4）要求就能源与环境问题开展研究性学习。 2、过程与方法： 3、情感、态度与价值观： 教学重难点：常规能源与新能源，能源与环境；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：
16、 第五节 能源 环境和可持续发展 1、能源 （1）常规能源与新能源； 常规能源有：煤、石油、天然气等。 新能源有：风能、潮汐能、太阳能、原子能、沼气等。 （2）常规能源的储备与利用间的关系： （3）常规能源的利用与环境污染 环境污染的种类：大气污染、水污染、噪声污染，具体有：温室效应、酸雨、光化学污染。 （4）环境污染的防止： 2、研究性学习课题 总课题：能源与环境 子课题： （1）研究“温室效应”的形成（起因、结果）与防止。 （2）简易太阳灶的制作。 （3）家用太阳能热水器的工作原理。 （4）煤和石油中的化学能从何而来？ 3、能源与环境保护教育 （1）能源与环境 人类的生活离不开能源。如果没
17、有能源，人就得吃生米、生菜、生肉，这对原始人来说，可以，对现 代人来说，那不可想像。要把饭菜烧熟，就得能源。照明需要能源，坐汽车、火车、轮船、飞机也需要能 源，炼钢炼铁、开动机器都得有能源。 人类能源的总来源是太阳。这就是说，不仅风能、水力能、海浪能、生物质能、太阳能等自然能源来 自太阳，就是矿物燃料煤、石油、天然气也来自太阳。以上这些属于一次能源，由一次能源生产的电力属 于二次能源。 目前在人类能源当中挑大梁的一次能源是煤、石油、天然气这些矿物燃料。矿物燃料的大量使用，给 环境带来十分广泛的影响： 矿物燃料的开采要毁掉一些土地，有时不可避免地要占用一部分农田。矿物燃料的运输也会带来环境 问题
18、，如海上石油运输，经常发生事故，泄漏的原油污染大片海域；就是不发生事故，压舱水的排放也常 常在小范围内使海域受到污染。矿物燃料的燃烧，对环境产生的影响最大。其中硫氧化物、氮氧化物等各 种有害气体污染空气，已经使人们难以忍受，因为矿物燃料的燃烧总是要排放出非常多的二氧化碳，甚至 达到改变空气成分的比例的程度，使地球的气温升高，这已经成了全世界格外关注、十分头疼的一个环境 问题。 怎样才能减少因能源使用而带来的环境影响呢? 首先，要节约能源。减少全人类的能源消耗，才能减少二氧化碳的排放。这是从环境保护的角度说， 节约能源势在必行。另一方面，能源本身也存在着危机。据勘察，地球上可供开采的石油有 81
19、6 亿吨，天 然气 495 亿吨，煤 10 万亿吨。现在全世界每年的能源总消耗量大体上是 95 亿吨标准煤，其中主要的是石 油、天然气和煤，分别占 45%、19%、25%，此外，还有 7%的水电，3%的核能。按照目前的消费状况，石油 将在三四十年内采完，煤炭虽多，也只能开采 250 年左右。以后，随着科技水平的提高，这些矿物能源的 储量也可能提高，但是，不管怎么说，地壳运动给我们预备下的矿物燃料总是有数的，我们用一点就少一 点，不悠着点儿用，恐怕是要被动的。 其次，要利用高科技，开发新能源。目前原子能发电已进入实用阶段，受控热核聚变的探索也在步步 前进，有望加入人类能源的行列。 再次，要积极利
20、用自然能。其中包括，直接利用太阳能，太阳能发电、风力发电、海浪，潮汐发电、 水力发电等。这些能源的使用，基本上对环境没有污染，因此被人们称作“清洁能源” 。 还有，还必须治理矿物能源燃烧产生的污染物。 最后一点必须说明的是，要注意解决广大农村的能源问题。全世界的广大农村，能源相当缺乏。全球 大约有 15 亿农村人口用不上煤、石油、天然气这些矿物燃料，他们只能砍柴烧，或烧牛羊粪或烧作物秸 秆。有的农民要花费很大精力去剥树皮、砍灌木、铲草根、拣牛粪。这样做的结果，毁掉了很多树木，破 坏了绿色植被，对生态环境也是一种巨大的破坏。由于全世界每年要烧掉 4 亿吨以上的牛粪和秸秆，使越 来越贫瘠的土壤丧失
21、了很多有机物还田的机会。不解决这些农民的能源问题，他们的生存环境就会更加恶 化，他们也难以摆脱贫困的境地。 （2）人类优先开发的五种新能源 在即将过去的 20 世纪中，人类使用的能源主要有三种，就是原油、天然气和煤炭。而根据国际能源 机构的统计，假使按目前的势头发展下去，不加节制，那么，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分 别只有 40 年、50 年和 240 年了。四五十年。从人类历史的角度来看，实在是非常非常的短促；试想一下， 对于今于 20 来岁的年轻人来说，到他们六七十岁的时候，如果地球上已经没有原油和天然气可用，我们 能不为此感到惊愕吗？所以，开发新能源，替代上述三种传统能源，迅速
22、地逐年降低它们的消耗量，已经 成为人类发展中的紧迫课题，核能在今后一段时期内还将有所发展，但是核电站的最大使用期只有 25-30 年，核电站的建造、拆除和安全防护费用也相对不低，过多地建设核电站是否明智可取，还有待今后实践 和历史来检验。那么，人类将向何处寻找新能源呢？先进国家的能源专家认为，太阳能、风能、地热能、 波浪能和氢能这五种新能源，在今后将肯定会优先获得开发利用。 太阳能 太阳能利用的形式很多，例如太阳能集热为建筑供暖、供热水，用太阳能电池驱动交通工具 和其它动力装置，等等，这些都属于太阳能小型、分散的利用形式。太阳能大型、集中和利用形式，则是 太空发电。在距地面三万多公里高空的同步
23、卫星上，太阳能电池每天 24 小时均可发电，而且效率高达地 面的 10 倍。太空电能可以通知过对人体无害的微波向地面输送。 风能 风能利用技术的不断革新，使这种丰富的无污染能源正重放异彩。据估计，二三十年内，风力 发电量将要占欧共体电占全国总电力的 30%左右。 地热能 目前世界上已有近二百座地热发电站投入了运行，装机容量数百万千瓦。研究表明，地热能的蕴 藏量相当于地球煤炭储量热能的 1.7 亿倍，可供人类消耗几百亿年，真可谓取之不尽、用之不竭，今后将 优先利用开发。 波浪能 主要的开发形式是海洋潮汐发电。80 年代中期挪威成功地建成一座小型潮汐发电站，让涨 潮的海小冲进有一定高度的贮水池，池水下溢即可发电。已经在设计的单座潮汐电站，其它发电量可供一 个 30 万人口的城市使用。 氢能 氢是宇宙中含量最丰富的元素之一，就可经提取出无穷无尽的氢。氢运输方便，用作燃料不会 污染环境，重量又轻，优点很多。前苏联试用氢为“图-155”型飞机的燃料已经初步得成功，各国正积极 试验用氢作为汽车的燃料。氢无疑也是人类未来要优先利用的能源之一。
