《化工過程及設備》流體流動與輸送教學中的一點體會

陳元　丁永奎

【摘 要】《化工過程及設備》是中職院校輕工類專業必修的一門基礎課程，流體流動與輸送章節中的伯努利方程是其重點和難點。本文結合教學實踐，分析了流體流動與輸送教學中存在的問題，闡述了如何對伯努利方程進行講解，并結合自行設計的實驗加深學生對伯努利方程的理解。

【關鍵詞】伯努利方程 《化工過程及設備》 流體流動與輸運

《化工過程及設備》是中職學校輕工類專業必修的一門基礎課程。課程開設的意義在于使學生掌握一些化工單元操作的基本原理，比如流體流動與輸送、過濾、傳熱、蒸發、萃取、干燥等， 了解其典型設備的內部結構，以及利用公式進行工藝尺寸的計算與設備選型。因此，《化工過程及設備》是一門實踐性課程，筆者認為在教學過程中不宜側重純理論教學， 而應采用理論與實際相結合的方法。《化工過程及設備》教材中，流體流動與輸送一直被認為是貫穿整個教學過程的重要章節，很多單元操作都是圍繞流體的力學特性展開的，而伯努利方程及其應用是流體流動與輸送章節中的重點和難點。因此，作為定量描述流體流動規律的伯努利方程，其重要性是顯而易見的。

一、流體流動與輸送教學中存在的問題

在幾年的教學生涯中，筆者發現相比較過濾、蒸發和干燥等單元操作，在講授“伯努利方程”這一節時，學生更難于接受。究其原因， 可能存在以下幾方面因素：

第一，中職學生很多都是初中畢業就直接來中職學校就讀，他們當中很多人都沒有學過高中物理，這就造成理論的脫節，因為伯努利方程很多方面涉及高中物理關于能量推導的基礎知識。

第二，學生在學習《化工過程及設備》這門課程之前并沒有接觸過關于流體特性方面的知識， 因而不容易理解伯努利方程的意義。

第三，教師在教學上往往采用傳統的講解方法，只注重對過程的講授，而且教學手段也比較落后， 這就形成了教師在課堂上講得天花亂墜，學生在底下聽得昏昏欲睡，聽后也不明白講了些什么的怪現象。因此在講課時，我們應該采用多媒體，引入模型、實物等多種手段相結合，使伯努利方程問題具體化、形象化。

第四，《化工過程及設備》教材中伯努利方程所表達的內容較多，有很多子公式，中職學生很難記住這些公式。這就需要教師耐心講解伯努利方程中各個子公式符號所代表的物理意義。

二、關于伯努利方程的講解

由于中職生化工基礎知識普遍薄弱，對他們不必像對大專生那樣要求掌握伯努利方程的推導過程。對于中職生，只要求他們理解伯努利方程的物理意義，熟悉該方程的實際應用，懂得解決一些實際遇到的簡單問題就可以了。對伯努利方程的講解如下。

眾所周知， 伯努利方程是從能量守恒定律推導而來的。物質的總能量分為機械能和內能兩部分。對于理想流體， 由于密度不變，溫度也沒有變化，且在流動過程中沒有吸收或釋放熱量， 其內能可近似看作不變，那么只有機械能之間發生轉化， 即在流體任一截面上的機械能總和為一不變的常數，機械能包括位能、靜壓能和動能， 那么伯努利方程可表示為：

其中E為總機械能，mgz表示位能， m表示靜壓能，表示動能。再由能量守恒定律， 在理想流體的連續穩態流動系統中， 任取兩個截面， 其總機械能應當相等，即E1=E2，因此：

兩邊同時除以質量m得：

此式即為理想流體的伯努利方程式。

三、理論與實際相結合，加深學生對伯努利方程的理解

為了加深學生對伯努利方程的理解，筆者設計了一套簡單的實驗裝置（如下圖），首先準備一根T形管，可以是玻璃的，也可以是塑料的，里面密封一個漏斗，漏斗的尾部不能超過T形管的進氣口，進氣口的另一端連接抽濾瓶，可供抽濾溶液之用。當我們做抽濾實驗時，讓自來水直接從T形管上部流入，經過漏斗大口端，然后從尾部流出，這時，我們會發現抽濾瓶的壓強有所降低，濾液下降得很快。怎樣解釋這種現象呢？我們可以用伯努利方程來解釋。

在這個實驗中，我們可以將空氣和水都看作是不可壓縮的理想流體。那么根據理想狀態下的伯努利方程，我們得出這樣的規律：gz+常數。如果兩邊同時乘以密度p，得到pgz+常數。在本實驗中，對于空氣的流動，高度差z的影響較少，伯努利方程可表達為常數。從上式可知，在流動的流體中，壓強p和流速u成反比，流速u大的地方壓強p小，流速u小的地方壓強p大。

知道了壓強和流速的關系后，就可以解釋出現上述實驗裝置的現象了：自來水從漏斗大口端流入，從漏斗尾部流出時，流速u大大增加，從而使附近的空氣壓強p降低，這樣就使T形管的進氣口所接抽濾瓶中的空氣流出，達到抽氣的目的。

通過該實驗，學生對伯努利方程有了更深刻的認識，從而在日常生活中遇到同樣的情況時也能正確運用伯努利方程來解決問題。