第八章B 热力学第二定律 熵教学建议

（一）学习目标

1．知道热力学第二定律的三种表述方式，知道熵是反映系统无序程度的物理量。

2．关注热力学第二定律的建立过程，以及在建立热力学第二定律的三种表述方式中所包含的科学研究方法。

3．通过熵和热力学第二定律对热机以及其他实际问题的应用，体验物理学对技术进步和社会发展的影响，懂得有效利用能源的意义；自觉地关注能源问题、生命过程等；懂得遵循科学规律的重要性，自觉抵制违背科学规律的行为。

（二）重点和难点

本节重点是热力学第二定律的三种表述方式，以及熵的概念。

本节难点是对热力学第二定律否定性陈述方式的理解，物理学基本规律大多采用肯定性陈述方式，但包括热力学第二定律、热力学第三定律（绝对零度不可能达到），以及量子力学中的不确定性关系等重要规律却采用了否定性陈述方式。

（三）教学建议

在高中物理基础型课程的学习中，已经知道自然界的一切自发变化过程都具有单向性特点。本节先从热传导与功和热的转化这两类最常见的“单向性过程”出发，通过简单分析，相应地引出热力学第二定律的两种表述方式。然后通过对热传导过程微观机制的分析，引入熵的概念以及热力学第二定律的第三种表述方式，即熵增加原理。

1．关于情景引入的编写意图

自然界实际过程的方向性表明，功转化为热的过程可自发发生，其转化效率可达100%。而相反热转化为功的过程却不能。但是为了利用蕴藏在物质内部的能量开动机器，人类社会却非常需要将热转化为功。为此，应当思考和回答如下问题：热转化为功（或热从低温区到高温区的传递）的过程为何不能自发发生？在什么条件下这种过程才能发生？有什么办法能提高这种过程中能量转化的效率？在本节教学中，首先通过情景引入让学生体会到这些问题的提出，然后通过对自然界宏观过程方向性的分析，引出热力学第二定律的两种表述（即克劳修斯表述和开尔文表述）；通过对热现象微观本质的分析，认识熵的概念，以及热力学第二定律的第三种表述（即熵增加原理）。

2．课本第117页“大家谈”的编写意图

通过课本第117页中的“大家谈”，引导学生回顾基础型物理课程中学过的知识。自然界一切实际的变化过程都是有方向性的，沿某一方向（如功转化为热、热从高温物体传向低温物体）的过程能自发发生，反过来（如热转化为功、热从低温物体传向高温物体）的过程则不行，虽然两者都不违反热力学第一定律。从而让学生领悟到有必要在热力学第一定律之外建立另一条独立的定律，以反映自然界过程的方向性特征；明白热力学第二定律所要讨论的问题是什么，以及这些问题对于科技发展和社会进步的重要性。

3．关于热力学第二定律“克劳修斯表述”的教学建议

本小节从热传导的单向性出发，通过设问：“热传导具有单向性是什么意思？”，从而引出热力学第二定律的克劳修斯表述. 热量只能自发地从高温物体侍到低温物体，而不能自发地从低温物体传到高温物体，这句话前半句肯定式话语容易理解，而后半句否定式话语则对于诱发思考、“提出问题”尤为重要，热力学第二定律的克劳修斯表述则回答了“在什么条件下热量可以从低温物体传到高温物体”这个问题，其条件是要伴随其他能量的转化过程。例如电冰箱、制冷空调机就是在这个理论的指引下发明的。

4．关于热机效率和热力学第二定律的“开尔文表述”的教学建议

功与热之间的转化具有单向性，功转化为热可自发发生，反之却不能。若要使热转化为功的过程发生，需要一定条件，需要付出一定代价，热机的工作过程体现了这一点。热机必须工作在两个热源之间，只有当热量从高温热源向低温热源转移的自发过程中，才可能放出部分热量，使它转化为机械功。根据这个见解，可得出两点推论：

（1）只有单一温度的热源，无法使热转化为功而不涉及其他变化，并由此归纳出热力学第二定律的开尔文表述。

（2）热机工作时，从高温热源输出的热量必须有一部分传到低温热源，这部分热量不做功。因此，任何热机的效率不可能达到100%，即使从理论上说也不可能，人们能够做到的只是尽量提高热机的效率。

第一类和第二类永动机不可能制造的问题已在基础型课程中提过，这里不再重复，仅通过课本第119页的“点击”对此作一简单归纳。

5．关于“熵”的概念和“熵增加原理”的教学建议

本小节通过对热传导过程微观机制的分析，引导学生初步建立“有序”、“无序”的观念，并定性地引进熵的概念。关于熵的定义及其统计意义可参阅本章“教学参考资料”2、3，不作要求。

本教材没有讨论热力学第二定律不同表述方式的等效性，如有学生提出这方面的问题，可参考本节练习部分“基本训练”第7题的参考答案，以及高等学校的有关教材。

对于学生来说，在热力学第二定律的三种表述方式中的第二种表述方式（即开尔文表述）或许较难接受，因此在引进这一表述方式时应当先阐明实际热机工作时的能量转化过程，然后在介绍了熵的概念和熵增加原理后，再回过来对热力学第二定律的开尔文表述和热机效率作进一步说明。

（四）作业说明

本节共9题，大部分习题都可作为课堂讨论使用。

参考答案

A组

1．能够将一定数量的动能全部转化为热，例如一个运动物体在摩擦力作用下最后停下；不能够将一定数量的热运动能量全部转化为物体的动能，因为如果可能，这意味着可制造从单一热源取热的，效率为100%的热机，而这违背热力学第二定律

2．是；此过程中有杌械能转化为书本和空气的内能；此过程总能量不变，总熵增加

3．机械能转化为摆锤和大气中的内能；内能不能自发地转化为机械能，使单摆恢复摆动；否，但是单摆回到初始摆动状态的过程（是熵减少的过程）必须伴随另外的熵增加的过程（如利用机械臂）

4．有热量从室内自然地流向室外，使宇宙的总熵增加

5．0.18；1230J

6．放出了1220J的热；用于制冷空调机和电冰箱；ε＝吸收的热量外界/对系统做的功 ，常称为制冷系数，该热机的制冷系数为0.22

B组

7．可利用“反证法”。如果有一部热机能违反热力学第二定律的开尔文说法，将一个热源的能全部转化为功。于是我们就能利用这部热机（如一罐温水）提取热能并将其全部转化为功，这些功可以（如通过摩擦）在一个较热的系统（如一罐较热的水）中转化为热。这一过程的净结果就是，在不发生任何其他改变的情况下将热从较低温度的区域传递到较高温度的区域，因此也违背热力学第二定律的克劳修斯说法，这当然是荒谬的

8．（1）0.13；（2）略

9．参考回答：叶子生长过程是有序程度增加的过程，因此熵要减少，这种过程所以能够发生，是因为存在与此相伴随的熵增加过程：叶子与太阳及周围大气所构成的总系统中，有热量从高温区（太阳）向低温区（大气）流动，且此过程中熵的增加量大于组成叶子的分子在有序化过程中熵的减少量

发布时间：2012/2/27 上午10:15:05  阅读次数：3296