对“热力学第二定律”的教学思考

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热力学第二定律揭示的是有大量分子参与的宏观过程的方向性问题，这是热现象的一个重要规律，完整地掌握热学知识，必须对它具有正确的认识.但由于规律本身相对比较抽象，虽然有些直观的经验事实可以佐证，但概括规律的过程颇为理性，而且中学阶段尚不给出“熵”的概念，使得规律的表述比较“经验具体化”，不能像热力学第一定律那样给出简洁的数学阐述.如何建立起学生关于热力学第二定律清晰的物理图景，并让学生在知识的发生过程中得到思维训练和认知发展，需要教学中的精心设计和启发、引导.

1 提出问题

热力学第一定律（ΔU=Q+W）的本质就是能量守恒，由此可知“第一类永动机”是不可能制成的.那么，是不是只要满足能量守恒的物理过程就能够持续地、自发地进行下去呢？

我们知道，自发的热传导过程是高温物体向低温物体传热，传热的过程满足Q吸=Q放.反之，热量可不可以在满足“Q吸=Q放”的条件下，自发地由低温物体向高温物体传热呢？经验告诉我们，这个过程是不可能自发进行的.所以，制约热现象的过程，除了热力学第一定律外，还有其他的自然规律在发生着作用.（提出问题，并初步揭示问题的内在意义，引起学生思维活动）

2 展开讨论

①类似的例子还很多.（进一步联系经验事实，强化学生的感性认识）

扩散过程.如图1所示，抽去隔板a，两种气体相互扩散，趋于均匀分布，这是自发进行的过程.反之，使原来分布均匀的两种混合气体相互分离，各居一半的空间，这是非自发过程.

气体膨胀.如图2所示，打开阀门K，气体会进入另一个容器，这是自发进行的过程.反之，分布在两个容器内的气体，使其只占据一个容器的空间，这是非自发过程.

②初步结论：自发热过程具有方向性.如果要改变自发热过程的方向，需借助于外部作用才能实现.例如：反向热传导――制冷；混合气体分子分离――过滤；气体体积减小――做功.此类过程必然会引起外界的某种变化.（使问题引向深入，逐步揭示本质）

③再从能量转化的过程来分析物理现象的方向性.（为热力学第二定律的两种的表述作好铺垫）

机械能转化为内能的过程可以连续、完全地进行.例如，运动的物体由于摩擦而逐渐停止运动，机械能完全转化为内能.但内能转化为机械能的过程不可能连续、完全地进行.如图3所示，气缸内高压、高温气体推动活塞对外做功，开始一段过程实现着内能向机械能的转化，当气体膨胀到一定程度，压强减小到不足以推动活塞做功时，这一过程就停止了.要继续做功的过程，就要从头开始，排出气缸内已完成做功任务的废气，注入新鲜空气，喷进燃油，点火燃烧，产生高温高压气体，重新开始做功过程.

这一过程的特点是：a.内能转化为机械能的过程需借助一定的工作物质（如燃气）才能进行；b.工作物质所处的环境温度一定低于其做功过程的温度，所以工作物质必须至少在两个不同温度的热源下才能实现将内能转化为机械能的过程；c.内能转化为机械能不可能连续进行，其过程会因为排出废气和吸进燃气而中断；d.由于排出的废气温度要高于环境温度，故必然随废气带走一部分不能转化为机械能的热量Q2（图4）.

设燃料燃烧产生的热量为Q1，气体膨胀对外做功W，根据能量守恒有： Q1=W+Q2.则内能转化为机械能的效率η=WQ1×100%.由于损失的热量Q2不可避免，所以效率一定小于100%，即任何一部机器都不可能把内能百分之百地转化为机械能.

3 概括结论

①人们通过大量观察、实验，概括出热现象的另一个自然规律，即热力学第二定律，其表述有两种形式.一是从自发热传导的方向性来表述：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；二是从能量转化的方向性来表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化.

②深化理解：这两种表述分别从热传导和能量转化的过程来考察热现象的方向性，其本质是一致的，即它们是等价的.如有人提出，设法使地球上的海水降低0.1 ℃，就可得到5.8× 1023 J的热量，相当于1800万个100万kW的核电站一年的发电量，将会充分满足人们的需求.这个美好的愿望能否实现呢？

根据热力学第二定律，由第一种表述，一旦海水温度降低（低于环境温度），继续从海水中获得热量就是非自发的热过程，不借助于外界作用是不可能实现的；由第二种表述，这里只有单一热源――海水，没有另一低温热源时，不可能实现把海水储存的内能全部用来做功而不引起外界的变化.因此，愿望虽然是美好的，但它不符合自然界的客观规律，因而所有企盼内能完全转化为机械能的“第二类永动机”都不可能实现，虽然它满足热力学第一定律. ③进一步展开讨论，为什么自然界总能量守恒却要节约能源？对此认识和解释必然功到自成，可将学生引向现实生活加深对规律的理解.

笔者对于上述教学过程的体会是：①尽可能搜集和整理学生已有或能够接受的经验事实，帮助学生引向新知，使生活经验和理性认知较好地统一，形成关于“热力学第二定律”以及整个热力学规律的知识构架；②将原有的、相近的物理知识整合重组，引导学生对不同物理现象和认识过程的思考，激发学生认知欲望和认识深化，构建新的认知结构；③课堂教学中所谓“自主活动过程”和“主体认识过程”，不一定就是热闹的场面、外在的表现，课堂教学设计不必刻意追求活动形式，有些轰轰烈烈的场面也许是“虚假繁荣”，关键是使认知体验和思维活动进入学生的知识建构，成为他们积极的认识过程，这样的教学过程也一定实现着学生的主体认知.