節(jié)能減排背景下的“工程熱力學(xué)”教學(xué)方法研究

楊曉宏 張欣宇 高虹 賈彥

[摘 要]熱力學(xué)是一門研究物質(zhì)能量及能量傳遞轉(zhuǎn)換的學(xué)科，它以內(nèi)容抽象難懂、基本概念多、公式多、難點(diǎn)集中而著稱。通過闡述課程在節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用中的重要性，國內(nèi)外工科院校的地位及課程的特點(diǎn)，探討實(shí)行“精講，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，增加新能源轉(zhuǎn)換利用，樹立工程觀點(diǎn)”等在節(jié)能減排背景下熱力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，為教學(xué)方法改革提供一定的思路。

[關(guān)鍵詞]工程熱力學(xué) 學(xué)科特點(diǎn) 教學(xué)方法

[中圖分類號(hào)] G712[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2012）10-0100-03

熱現(xiàn)象是人類最早廣泛接觸的自然現(xiàn)象之一，是每一個(gè)工程領(lǐng)域幾乎都會(huì)碰到的物理現(xiàn)象。能量的有效合理利用是每一個(gè)工程師都要碰到的問題。熱力學(xué)是一門研究物質(zhì)能量、能量傳遞轉(zhuǎn)換關(guān)系及能量與物質(zhì)性質(zhì)之間普遍關(guān)系的科學(xué)，而工程熱力學(xué)是熱力學(xué)的分支，是在闡述熱力學(xué)普遍原理的基礎(chǔ)上，研究這些原理技術(shù)應(yīng)用的學(xué)科，它著重研究熱能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換規(guī)律及工程應(yīng)用。該課程應(yīng)用十分廣泛，幾乎所有工科院校的各個(gè)專業(yè)都設(shè)置了該課程。工程熱力學(xué)以內(nèi)容抽象難懂、概念多、公式多、難點(diǎn)集中而著稱。為適應(yīng)教學(xué)改革后學(xué)時(shí)數(shù)減少，節(jié)能減排與低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，筆者通過近幾年教學(xué)實(shí)踐，對(duì)工程熱力學(xué)的一些教學(xué)方法改革進(jìn)行了一定的探討。

一、工程熱力學(xué)工科院校的地位與節(jié)能減排的關(guān)系

熱現(xiàn)象是自然界中最普遍的物理現(xiàn)象，能源問題是21世紀(jì)我國乃至世界所面臨的首要問題。自然界中已開發(fā)和利用的能源有燃料的化學(xué)能、風(fēng)能、太陽能、水能、核能、地?zé)崮堋⒑Ｋ毕艿取Ｔ谖覈茉蠢弥杏?5%來自煤、石油、天然氣等燃料燃燒而釋放的熱能，熱能有直接利用和間接利用（轉(zhuǎn)換機(jī)械能），人類在現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域中所碰到的大多數(shù)技術(shù)問題均與熱現(xiàn)象有關(guān)。據(jù)資料調(diào)查顯示，中國的能源使用效率僅為歐美發(fā)達(dá)國家的12%～27%，是全世界自然資源浪費(fèi)最嚴(yán)重的國家之一，推進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)，可謂迫在眉睫。目前針對(duì)全球節(jié)能新技術(shù)的推廣、研發(fā)和利用，提高節(jié)能減排意識(shí)和工程技術(shù)從業(yè)人員節(jié)能素質(zhì)是中國高等工程教育中必須深入和強(qiáng)化的教學(xué)內(nèi)容，但是國內(nèi)的工程熱力學(xué)還未在教材、課堂教學(xué)和素質(zhì)培養(yǎng)過程中明顯體現(xiàn)。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科間交叉與滲透使熱工理論與技術(shù)不僅成為能源與動(dòng)力類專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，并且深入到其他各個(gè)領(lǐng)域中。在國內(nèi)外高等工程教育中，機(jī)械系、化工系、動(dòng)力系、核能工程系、材料系、電子信息、建工系、環(huán)境科學(xué)系等熱工課程開設(shè)是比較普遍的，只是在開設(shè)的內(nèi)容和學(xué)時(shí)上有所區(qū)別。為了有效合理利用能源，每個(gè)工科學(xué)生都應(yīng)具有熱工知識(shí)。從原理和本質(zhì)上講，熱力學(xué)就是為節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)而生的，是解決低碳經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排的最佳工具。因?yàn)橥ㄟ^具體的理論可計(jì)算出物質(zhì)和能量的最大利用極限，有了極限就知道哪些可為、哪些不可為，還有多少潛力可挖，同時(shí)解決復(fù)雜體系中同時(shí)存在的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換效率問題。

二、工程熱力學(xué)課程的突出特點(diǎn)

（一）內(nèi)容抽象

工程熱力學(xué)是具有百年歷史的經(jīng)典學(xué)科，以其抽象著稱，是訓(xùn)練抽象思維、培養(yǎng)科學(xué)思維最好的一門課之一。它采用宏觀的研究方法以數(shù)學(xué)推導(dǎo)為基礎(chǔ)，很多過程因看不見具體實(shí)例，往往不容易被接受，更不容易被深入理解。例如準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程是該課程接觸到的第一個(gè)抽象概念，尤其是對(duì)可逆過程定義中“使系統(tǒng)、外界、工質(zhì)亦回到初始狀態(tài)，就好像什么也沒發(fā)生一樣”的理解，因該過程無法在自然界中找到而不能在具體熱工設(shè)備中演示，所以必須用不滿足可逆過程的條件就不能使“系統(tǒng)、外界、工質(zhì)亦回到初始狀態(tài)”以證明該過程是不可逆過程，這種逆向思維，使學(xué)生接觸起來比較困難。再比如內(nèi)燃機(jī)循環(huán)，實(shí)際內(nèi)燃機(jī)汽缸是可見的，但工質(zhì)在熱工設(shè)備中完成能量轉(zhuǎn)換過程是看不見的，將汽油和空氣混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃燒產(chǎn)物抽象為1kg空氣從某一高溫?zé)嵩次鼰幔瑥墓べ|(zhì)作功能力角度來說是一樣的。另外許多公式的推導(dǎo)僅僅是利用數(shù)學(xué)為工具，沒有結(jié)合具體熱力過程，這種用數(shù)學(xué)語言描述物理概念及其意義的方法，學(xué)生較少接觸，普遍反應(yīng)抽象。再如可逆過程容積變化功表達(dá)式推導(dǎo)，盡管最終形式非常簡(jiǎn)單，但推導(dǎo)過程是將物理學(xué)功的定義、數(shù)學(xué)微積分知識(shí)、可逆過程實(shí)現(xiàn)的條件三者結(jié)合起來，它完全拋開了系統(tǒng)邊界受力情況，也說明了為什么要提出可逆過程的原因之一。

（二）基本概念多，內(nèi)容涉及面廣

在工程熱力學(xué)中，相互獨(dú)立的概念非常之多。系統(tǒng)有閉口系統(tǒng)、開口系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)；工質(zhì)分兩大類，即理想氣體和實(shí)際氣體，理想氣體又有混合物如濕空氣等，實(shí)際氣體有水蒸氣、氨、氟利昂等；水蒸氣在不同條件下既可以是理想氣體又可以是實(shí)際氣體；功有容積變化功（膨脹功和壓縮功）、技術(shù)功、軸功、推動(dòng)功、內(nèi)部功，各種功在不同熱力過程中表達(dá)式又不盡相同；計(jì)算熱量的比熱按加熱過程分為定壓比熱和定容比熱，按單位物量的選取不同又可分為質(zhì)量比熱、摩爾比熱、容積比熱；理想氣體和實(shí)際氣體熱力過程分為定容、定壓、定溫、可逆絕熱、多變過程；工質(zhì)循環(huán)包括內(nèi)燃機(jī)循環(huán)（可根據(jù)工質(zhì)不同又分為三個(gè)循環(huán)）、燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)、蒸汽動(dòng)力循環(huán)、蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)、核動(dòng)力循環(huán)、制冷循環(huán)（使用不同工質(zhì)對(duì)應(yīng)不同循環(huán)）；工程熱力學(xué)中圖表也很多，有水蒸氣圖表和h-s圖；實(shí)際氣體lgP-h圖；濕空氣有h-d圖。可見該學(xué)科包括的概念多、內(nèi)容多并且復(fù)雜，不便學(xué)生在短時(shí)間記憶，初學(xué)者很容易產(chǎn)生似是而非的錯(cuò)覺，極易混淆。

三、工程熱力學(xué)教學(xué)方法思考

（一）實(shí)行精講，突出“重點(diǎn)、難點(diǎn)”教學(xué)

在近幾年的教學(xué)中，為了適應(yīng)現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展，應(yīng)遵循淡化專業(yè)、厚基礎(chǔ)的原則，強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力及節(jié)能減排意識(shí)提高的培養(yǎng)。筆者認(rèn)為該課程的開口、閉口能量方程式、理想氣體性質(zhì)及相關(guān)計(jì)算是基礎(chǔ)，應(yīng)準(zhǔn)確描述該學(xué)科基本概念，掌握熱力學(xué)第一定律的閉口和開口系統(tǒng)能量方程式各種形式的應(yīng)用條件；理想氣體比熱和熱量、狀態(tài)方程式，內(nèi)能差、焓差、熵差的計(jì)算；切實(shí)理解熱力學(xué)各種功的含義和計(jì)算公式及它們之間的區(qū)別和聯(lián)系，這樣在對(duì)第四章中理想氣體四個(gè)熱力過程進(jìn)行分析時(shí)就較為輕松；每個(gè)熱力過程分析內(nèi)容十分相似，在教學(xué)中詳細(xì)講解一個(gè)如定壓過程，可以把所需公式寫到黑板一側(cè)，如果遇到難點(diǎn)，比如定熵過程的過程方程式由教師推導(dǎo)，其他熱力過程讓學(xué)生預(yù)習(xí)后自己到黑板講解，這樣既可以提高學(xué)生口頭表達(dá)能力，而且可以使學(xué)生牢固掌握分析熱力過程的一般的方法，還可以節(jié)省大量時(shí)間，起到事半功倍的效果。前幾章基礎(chǔ)打好了，后面具體工程應(yīng)用中除了循環(huán)特點(diǎn)不一樣，其他如對(duì)能量的分析等問題講解起來就很輕松，而對(duì)不同熱效率等問題的分析就可迎刃而解。在熱力過程分析中會(huì)推導(dǎo)出大量公式，教學(xué)的目的不是機(jī)械地死記硬背公式，而是掌握分析方法，只有這樣才能觸類旁通，融會(huì)貫通。在近幾年的考試中筆者發(fā)現(xiàn)，對(duì)狀態(tài)參數(shù)如P、v、T、u、h、s是數(shù)學(xué)上點(diǎn)函數(shù)，與路徑無關(guān)，學(xué)生理解不透徹，一到具體過程，多數(shù)學(xué)生對(duì)“起始點(diǎn)相同的可逆和不可逆過程的熵差、熱力學(xué)能差相”等概念不清楚，盡管狀態(tài)參數(shù)的概念是最先講解的，但由于工程熱力學(xué)中的狀態(tài)參數(shù)是隨著課程的逐漸深入出現(xiàn)的，一定要反復(fù)提到狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)，學(xué)生才能牢固掌握，尤其是對(duì)熵這個(gè)狀態(tài)參數(shù)。

熵和熱力學(xué)第二定律及火用和火無，是工程熱力學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，也是難點(diǎn)集中之處。在講授方法上要特別注意由淺入深，承上啟下，尤其是熵。在未講解熱力學(xué)第二定律之前，可將熵與其他狀態(tài)參數(shù)一起提出，僅介紹定義及籠統(tǒng)介紹熵在熱力學(xué)中的地位，使學(xué)生先建立初步印象，之后在熱量計(jì)算時(shí)再次提出可逆過程熱量和熵的關(guān)系，使學(xué)生對(duì)熵產(chǎn)生似曾相識(shí)的感覺，為今后學(xué)習(xí)作一個(gè)鋪墊，最后再通過克勞休斯等式正式提出熵。通過建立孤立系統(tǒng)dsiso≥0方程，一切自然界過程都是朝著使孤立系統(tǒng)熵增大方向進(jìn)行，引出熱力學(xué)第二定律實(shí)質(zhì)是熱力過程方向性問題，就此提出熵恰好是判別熱力過程進(jìn)行方向性的物理量。孤立系統(tǒng)熵之所以增大是因?yàn)閷?shí)際過程均是不可逆過程，引出熵產(chǎn)概念，孤立系統(tǒng)熵增即熵產(chǎn)。孤立系統(tǒng)中出現(xiàn)不可逆循環(huán)或不可逆過程必然伴隨作功能力損失即火用損，不可逆程度越大，火用損越大，所以熵產(chǎn)與工質(zhì)必然有聯(lián)系，從而導(dǎo)出火用損I=T0Sg，這樣循序漸進(jìn)，思路清晰，學(xué)生容易理解。

（二）增加新能源轉(zhuǎn)換利用教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在《學(xué)習(xí)的革命》一書中曾提到，教師在傳授知識(shí)的同時(shí)，應(yīng)告訴學(xué)生該學(xué)科在今后工作中作用和利用價(jià)值。一門課能不能在講課的第一天起就使學(xué)生產(chǎn)生濃厚學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，“緒論”這一部分的內(nèi)容的講解是十分重要的，大多數(shù)教師都將精力花費(fèi)在課程主要內(nèi)容上，而將緒論的重要性淡化了。而學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)一門課的積極性，除了與教師的講授水平有直接關(guān)系外，更與學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、興趣等眾多因素有關(guān)。筆者首先在緒論課中傾注了大量精力，第一節(jié)課首先讓學(xué)生看教學(xué)錄像，了解熱工轉(zhuǎn)換設(shè)備工作原理，讓學(xué)生有一個(gè)初步的印象。之后在緒論中介紹自然界中已開發(fā)的各種能源太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⒑四堋⑷剂匣瘜W(xué)能、生物質(zhì)能、海水潮汐能在國內(nèi)和國內(nèi)利用情況及對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、環(huán)境保護(hù)的重要作用，這些極易抓住學(xué)生的注意力，引起學(xué)生強(qiáng)烈興趣。在人類利用能量中熱能占85%，各種能量的損失皆以熱能形式表現(xiàn)出來，然后馬上提出工程熱力學(xué)就是研究熱能利用及轉(zhuǎn)換規(guī)律的學(xué)科，介紹該學(xué)科發(fā)展歷史以及它對(duì)于工科學(xué)生的重要性。在介紹發(fā)展史時(shí)主要講述了在歷史上對(duì)熱力學(xué)有杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，如瓦特、克勞休斯、開爾文、卡諾，尤其是瓦特的生平史。再如講聲速和馬赫數(shù)時(shí)介紹超音速飛機(jī)的發(fā)展及世界上第一個(gè)突破音速飛行的美國空軍飛行員查而斯·耶格而的事跡，讓學(xué)生了解科學(xué)家如何運(yùn)用自己的智慧，披荊斬棘開出一條通向未知世界的征途，以及科學(xué)家發(fā)明創(chuàng)造道路中付出的極大努力，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)他們堅(jiān)韌、一絲不茍、孜孜以求的人生態(tài)度和科學(xué)探索精神，這樣不僅傳授了知識(shí)，還起到了育人的教育作用。

20世紀(jì)下半葉，熱力學(xué)無論在學(xué)科內(nèi)容和應(yīng)用范圍上都有很大發(fā)展，產(chǎn)生了與現(xiàn)代技術(shù)密切相關(guān)的新內(nèi)容，例如能量的直接轉(zhuǎn)換正在成為研究熱點(diǎn)，如小型半導(dǎo)體制冷、熱泵的研究；余熱的利用和節(jié)能技術(shù)；非平衡熱力學(xué)的研究進(jìn)展及在生物工程方面的應(yīng)用以及與中醫(yī)相結(jié)合的可能性；探討用損失的熱力學(xué)代價(jià)與經(jīng)濟(jì)代價(jià)之間的相互聯(lián)系；新工質(zhì)開發(fā)如新型環(huán)保制冷工質(zhì)研究情況；動(dòng)力機(jī)發(fā)展中燃?xì)廨啓C(jī)新進(jìn)展，蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)為何日趨受到重視；蒸汽動(dòng)力循環(huán)超臨界機(jī)組在國外應(yīng)用情況及現(xiàn)階段我國研究及利用情況；卡諾循環(huán)的拓寬和發(fā)展；核能、太陽能、風(fēng)能、生物能等可再生能源在國內(nèi)和國外的實(shí)際應(yīng)用案例，新能源汽車動(dòng)力循環(huán)，地源熱泵循環(huán)，太陽能熱水系統(tǒng)，建筑節(jié)能中的熱力學(xué)問題等。

（三）理論聯(lián)系實(shí)際，樹立工程觀點(diǎn)

工程被認(rèn)為是一種較為重要的，富有創(chuàng)造性的行業(yè)，在這個(gè)行業(yè)里，人們應(yīng)用學(xué)習(xí)、實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)學(xué)和自然科學(xué)知識(shí)，通過判斷、開拓經(jīng)濟(jì)利用自然界各種原材料和能源的方法，以造福人類。可見對(duì)于工科學(xué)生來說培養(yǎng)工程應(yīng)用觀點(diǎn)是多么重要。我國大學(xué)生從高中考入大學(xué)之前，幾乎沒有接觸過實(shí)際工程，如何在大學(xué)四年中通過技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課培養(yǎng)工程觀點(diǎn)呢？工程熱力學(xué)按整體可分為兩部分，第一部分是基本原理，第二部分是基本原理在工程實(shí)際中的具體應(yīng)用，如動(dòng)力循環(huán)中內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽機(jī)和制冷循環(huán)等都有具體應(yīng)用背景，課程的內(nèi)容并不是設(shè)備結(jié)構(gòu)，而是工質(zhì)在熱工設(shè)備中能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，要讓學(xué)生掌握一種方法，即如何撇開次要因素和干擾因素，透過模糊不清的現(xiàn)象，抓住事物本質(zhì)，將實(shí)際循環(huán)抽象為理想循環(huán)進(jìn)行分析（如熱效率分析等），之后再將理想循環(huán)修正后應(yīng)用于實(shí)際循環(huán)，是一個(gè)從復(fù)雜到簡(jiǎn)單再到復(fù)雜的過程，進(jìn)而延伸和擴(kuò)展去解決問題。再比如學(xué)習(xí)氣體和蒸汽流動(dòng)，將噴管作為工程應(yīng)用實(shí)例講解，噴管在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)動(dòng)力、化工、制冷、氣力輸運(yùn)等方面有廣泛應(yīng)用，因?yàn)榱鲃?dòng)為定熵過程，前面已經(jīng)講解，許多內(nèi)容可一帶而過，避免重復(fù)，主要介紹新知識(shí)。如一個(gè)洲際導(dǎo)彈在進(jìn)入大氣層時(shí)，導(dǎo)彈頭部滯止溫度和壓力計(jì)算絕熱滯止?fàn)顟B(tài)， 從而引出滯止?fàn)顟B(tài)，很新穎。講解相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度概念時(shí)，常舉一些生活中例子，如為什么陰雨天曬衣服不容易干，結(jié)露、結(jié)霜等自然現(xiàn)象，建筑中房間內(nèi)墻冬天溫度為什么一定要高于露點(diǎn)溫度，空氣的調(diào)溫調(diào)濕等。通過與工程和生活的緊密相連，可使學(xué)生更加深刻地理解熱力學(xué)理論，并增加了學(xué)習(xí)趣味性和主觀能動(dòng)性，使課堂氣氛活躍生動(dòng)，對(duì)于教師來說，更可使教學(xué)達(dá)到教師少教，學(xué)生主動(dòng)多學(xué)的目的。

（四）激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性

隨著課程學(xué)時(shí)的減少，有一部分內(nèi)容必然要通過學(xué)生自學(xué)獲得，對(duì)某些共性的原理、方法、數(shù)學(xué)推導(dǎo)不需要過多講解，可留給學(xué)生自學(xué)；對(duì)于每一章出現(xiàn)的重復(fù)性內(nèi)容，如壓氣機(jī)不同熱力過程技術(shù)功計(jì)算公式、水蒸氣流經(jīng)噴管計(jì)算、內(nèi)燃機(jī)定壓加熱理想循環(huán)、濕空氣屬于理想氣體混合物，其折合氣體常數(shù)、分子量、密度、濕空氣比容計(jì)算公式等都可以作為自學(xué)內(nèi)容。但自學(xué)內(nèi)容并不是不重要。為了提高自學(xué)效果，要結(jié)合具體內(nèi)容，布置思考題和作業(yè)，使學(xué)生在完成作業(yè)同時(shí)加深對(duì)知識(shí)的理解，這既是促進(jìn)學(xué)生自學(xué)的必要措施，又是教師掌握學(xué)生自學(xué)情況的手段，并且自學(xué)內(nèi)容也應(yīng)適當(dāng)作為考試內(nèi)容，這樣才使自學(xué)不流于形式。

教師工作絕不是簡(jiǎn)單的逢山開路，也不是簡(jiǎn)單的“熟練工”，是一個(gè)系統(tǒng)工程，是一門藝術(shù)，是富有挑戰(zhàn)性的工作，需經(jīng)過多年的積累，做到“常講常新”。

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[責(zé)任編輯：劉鳳華]