熱工學課程難點內容教學方式探討

張敏+張杰+周繼軍

摘 要 針對熱工學課程學習中學生普遍反映感到困難最多的狀態參數概念抽象、圖表復雜、知識枯燥等難題，以狀態參數“熵”“水蒸氣的焓熵圖”等內容為例，進行課程教學方式探討，以期補充完善熱工學課程教學方法，激發學生的學習興趣和熱情，對活學活用熱工學的基本理論知識以及對后續學好本專業起著至關重要的作用。

關鍵詞 熱工學；熵；焓-熵圖；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）23-0076-02

1 引言

食品冷鏈物流（Food Cold Chain Logistics）是上海海洋大學食品科學與工程專業食品物流工程方向的專業特色。它是以制冷設施與技術作為手段，以食品冷凍冷藏工藝學作為基礎的一項低溫物流系統工程，過程要求易腐食品在生產、運輸、貯藏、銷售直至消費前的一系列環節中始終維持在食品規定的低溫環境下，以減少食品損耗，保證食品質量。它是隨著制冷技術的發展而建立起來的，熱工學中有關熱能和機械能之間相互轉換的基本理論和熱量傳遞規律，正是低溫冷鏈物流實踐應用的理論基礎，而活學活用熱工學的基本理論知識，對學好本專業起著至關重要的作用。

熱工學是一門研究熱能利用的基本原理和規律，以提高熱能利用率為主要目的的課程，包括工程熱力學、傳熱學和熱工基礎的應用等部分內容。其中，工程熱力學和傳熱學構成熱工學的理論基礎，熱能轉換的基本概念、熱力學兩大基本定律、理想氣體和蒸汽的熱力性質與熱力過程以及濕空氣等內容屬于工程熱力學部分，而熱傳導、熱對流和熱輻射等3種熱量傳遞方式的基本理論（包括導熱的基本定律及穩態和非穩態導熱、對流傳熱和輻射傳熱等）是傳熱學部分主要講述的內容。目的是使學生掌握熱能轉換和利用的基本原理和規律，能夠對有關熱科學問題進行基本計算訓練和獲得解決相關工程問題的基本能力[1]。但是，學生在學習過程中反映感到困難最多的就是狀態參數概念抽象、圖表復雜、知識枯燥等。為此，筆者在教學實踐中有以下幾點體會和認識。

2 多角度分層次學習抽象概念——以熵為例

工程熱力學中常用的狀態參數有6個：壓力、比體積、溫度、熵、熱力學能和焓。其中，熵的概念學生最難理解。熵是熱力學第二定律導出的重要概念，在熱學中得到廣泛應用，近年來在經濟學、生態學等其他學科中也逐漸得到重視和廣泛應用[2]。

介紹“熵”這個字的歷史由來 我國最初是沒有“熵”這個字的，它是由Entropy這個單詞根據意譯而來的。1923年，德國物理學家普朗克來我國講學時，我國物理學家胡剛復做翻譯，根據Entropy的定義是熱量除以溫度所得到的商值，而且這個概念與火有關，于是就在商上另加火字旁，創造了一個新字——“熵”。

介紹熵這個概念的歷史由來 熵的概念由德國物理學家魯道夫·克勞修斯在1850年首次提出，用熵來表示能量分布在空間中的均勻程度，越集中的能量空間分布，系統的熵值就越小；而越均勻的能量分布，系統的熵值就越大，當能量完全均勻分布的系統，熵就達到最大值。

介紹熵的定義 熵是描述所有不可逆過程共同特性的熱力學狀態參數，它是不能再被轉化做功的能量的量度。可逆過程中，δQ/T的積分值和熱力過程的路徑無關，因此可以斷定可逆過程的δQ/T一定是某一狀態參數的恰當微分，所以取名為熵（S），它的定義式為dS=δQ/T。

介紹熵的特點

1）熵是狀態參數，同狀態函數焓和熱力學能一樣，一般只計算狀態參數的變化；

2）計算不可逆過程的熵變時，其值僅取決于給定的狀態，與達到狀態的過程無關；

3）δQ=TdS的量綱是能量，T是強度量參數，Q、S是廣延量參數，計算時必須考慮體系的質量。

介紹熵的物理意義 可分為宏觀和微觀兩個方面：從微觀上講，熵反映的是系統的無序度或混亂度；從宏觀上

講，一個熱力系熵的變化，可以表示為熵流和熵產之和，對應選定的環境狀態，系統熵的變化是系統無效能變化的量度。

重點介紹熵的本質 熵是一個反映自發過程不可逆性的狀態參數，自然發展的情況下，系統各部分能量差總是傾向于均衡。在孤立系統中，實際發生的過程總是使整個系統的熵值增大，不能減少，極限的情況（可逆過程）保持不變，即孤立系的熵增原理[2]。摩擦生熱就是使一部分機械能不可逆地轉變為熱，使熵增加；讓一個熱物體同一個冷物體相接觸，熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個物體達到相同的溫度為止。熱量由高溫物體傳至低溫物體，整個系統由高溫物體和低溫物體組成，高溫物體的熵減少，低溫物體的熵增加，熵總變化是它們的代數和，是增加的；每一次能量從一個較高水平（比如河水下落時，最初處于較高位置）轉化到一個較低水平（比如河水落到壩底，處于較低位置），都意味著下一次能再做功的能力減少了。

介紹熵在其他學科上的應用 熵是熱力學第二定律導出的重要概念，它不但在熱學中得到廣泛應用，而且在生命科學、哲學、經濟學、系統科學、生態學、歷史學、文學、藝術、語言學、宗教學等社會各個領域的應用也得到很多學者的日益重視。例如：探索將生態系統熵量化為能量輸出或輸入與經濟收入或支出之比；以貨幣流為參數來計算城鎮生態系統的熵變；以熵與焓的關系探討地球的熵增；生物與環境綜合為一個生態系統，生命體時刻與外界進行能量、物質、信息的交換，是一個開放的系統，任何真實的系統都不能脫離環境而存在，可以用“生命熵”來獨立定義，用熵來分析一個生命體生長、發育、衰老、死亡的全過程。自然界所有的生物利用和環境的能量交換趨于多樣、有序、熵減小，最終被環境選擇，得以進化。

3 結合應用實例學習圖表知識——以焓熵圖為例

水蒸氣的熱力性質圖表是熱力過程計算中的重要依據。但是對這一部分內容，學生普遍反映圖表太復雜，圖中等參數線太多，表中數據參數太多，水和水蒸氣狀態又十分復雜，應用起來很不方便。