用生活實例讓《化工原理》教學更有效

盛鳳軍

(宜興高等職業(yè)技術學校，江蘇 宜興 214206)

化工原理是化工類專業(yè)的核心主干課程，是以典型單元操作為研究對象，應用基礎學科的有關理論研究化工單元操作基本原理和典型設備，并對各單元操作過程進行操作優(yōu)化和設計優(yōu)化，是一門實踐性很強的課程[1]。化工原理是學生接觸了解化工生產的第一步，被譽為“由基礎課到專業(yè)課的過渡橋梁”，該課程理論多、概念多、公式多、生產設備多、計算量大，系統(tǒng)性差，具有很強的實踐性和工程性，加上現(xiàn)在的中職學生基礎普遍較差，對化學基本原理掌握不夠，對化工生產缺乏了解，大部分學生在學習時感到內容枯燥，晦澀難懂[2-3]。如何增強化工原理課堂教學的生動性，激發(fā)培養(yǎng)學生對化工原理課程的學習興趣，提高《化工原理》課堂教學的有效性，是中職化工原理教師面臨的一大難題。

所謂“興趣是最好的老師”，生動的生活實例是激發(fā)學生學習興趣的良藥，許多教師在教學中進行了積極的探索，并取得了一定成效[4-6]。筆者在多年的教學中發(fā)現(xiàn)，幾乎所有化工原理涉及的基本理論，在生活中都可找到易于理解的實例。在化工原理課堂教學中適當?shù)匾肷顚嵗瑢W生身邊的生活現(xiàn)象和生活實例與教學內容結合起來，既激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的探索精神和創(chuàng)新意識，又能加深學生對化工原理基本概念、原理、公式的理解和應用，對教學起到了事半功倍的作用。

1 利用宿舍供水設計掌握化工管路計算

流體流動和流體輸送是化工生產的基礎，是化工原理核心內容，它包含靜力學方程式、連續(xù)性方程式、柏努利方程式、流體阻力、離心泵選型計算等一系列內容，學生能否理解和掌握這些公式和計算至關重要。在教學過程中，教師可以設計這樣一道題：請以學生自己居住的宿舍樓為對象，完成單幢學生宿舍樓的供水設計[7]。這道看似簡單的題目，其實具有很大的信息量，并且包含了流體流動與流體輸送中的主要內容。

首先，學生要根據(jù)晚自習結束后的用水高峰，估算高峰時整幢樓的用水量，再根據(jù)自來水合適的流速范圍假定流速，求出所需輸水管的管徑，并根據(jù)計算的管徑選擇標準管，還要根據(jù)標準管的實際管徑重新核算實際流速，確定實際流速是否在允許范圍內。其次，宿舍樓是采用水塔供水，為了保證各個樓層的供水，各樓層支管的管徑又是多少？進一步延伸，水塔高度是可以確定的(在樓頂)，如果確定向水塔送水的距離，如何計算管路阻力和所需揚程，并選擇合適的離心泵？離心泵的安裝位置與安裝高度又如何確定？這些內容可以在教學內容中分步引入，逐層深入。學生對這些問題進行思考，并在老師的引導下進行實地測量、分析和計算，并與實際情況進行對比，這既活躍了課堂氣氛，又給學生理解和掌握枯燥的理論與公式提供了有效途徑，充分激發(fā)了學生的學習興趣與熱情，課堂教學也收到了良好的效果。

2 從電熱油汀的使用理解傳熱機理

固體、液體、氣體的傳熱方式與傳熱機理是傳熱計算的基礎，熱傳導、熱對流、熱輻射三種傳熱方式的分析與計算是傳熱計算的重點，對流傳熱的分析與計算是傳熱計算的核心。在北方，化工原理老師常以室內的散熱片為例講解傳熱原理和換熱器問題[8]，其實，現(xiàn)代家庭中常用的冬季取暖設備-電熱油汀，其設計原理和傳熱機理可看作是為這些概念與理論的學習“量身打造”的。

電熱油汀主要由密封式電熱元件、金屬加熱管、鐵散熱片、控溫元件、電源開關、指示燈等組成。這種取暖器是將電熱管安裝在散熱片的腔體內部下方，在腔體內電熱管周圍注有導熱油，當接通電源后，電熱管周圍的導熱油被加熱、升到腔體上部，沿散熱管或散熱片對流循環(huán)，將熱量傳遞給散熱片，通過散熱片表面將熱量輻射出去，從而加熱空間環(huán)境。被空氣冷卻的導熱油下降到電熱管周圍又被加熱，開始新的循環(huán)。導熱油將熱量帶到整個油汀腔體是通過“熱對流”完成的，熱量從腔體內壁傳遞至散熱片表面是由“熱傳導”完成的，而散熱片表面的熱量通過“熱輻射”加熱整個房間。進一步分析，電熱油汀內部沒有泵等驅動設備，底部的導熱油是如何將電熱管產生的熱量傳遞至整個腔體的呢？電熱油在油汀內部的循環(huán)是怎么形成的？由此問題入手可以分析液體熱對流機理和自然對流產生的原因。

從對流傳熱角度分析，熱量從內部電熱油傳遞至室內空氣的傳熱阻力包括三個部分：從導熱油傳遞至散熱片內壁的對流傳熱阻力，從散熱片內壁傳遞至外壁的熱傳導阻力，從散熱片外壁輻射至室內空氣的輻射傳熱阻力(假設空氣不流動)。這三部分，它們各自對應的傳熱推動力是什么？除此之外，還可以進一步設問：用手感受一下散熱片的溫度，為什么室內空氣溫度并不高，而散熱片的溫度較高呢？散熱片的溫度是接近內部導熱油的溫度還是接近室內空氣的溫度？顯然散熱片很燙，溫度應該接近內部導熱油的溫度，由此可以引出液固間的傳熱阻力小于氣固間的傳熱阻力，即內部導熱油和散熱片內側傳熱阻力小于散熱片外側與室內空氣間傳熱阻力，從而得出液固間的對流傳熱系數(shù)高于氣固間的對流傳熱系數(shù)這一重要結論，因此，散熱片的溫度更接近內部導熱油的溫度，所以散熱片的溫度很高。電熱油汀其本質上就是一種換熱器，這就確定了工業(yè)生產中的一個事實：換熱器本身的溫度總是接近傳熱系數(shù)較高一側流體的溫度。

繼續(xù)設問：如果因人走動而導致空氣流動，室內溫度升高的快了還是慢了？若作進一步假設：門窗緊閉，用電風扇向電熱油汀吹風，電熱油汀向空氣中傳熱快了還是慢了？室內溫度升高的快了還是慢了？由此可以比較相同條件下輻射傳熱與對流傳熱速率的大小，可以分析冷流體一側的流體流速對傳熱速率的影響，從而得出工業(yè)上強化傳熱的有效途徑。

3 從高原反應認識亨利定律與氣體吸收

吸收是分離氣體混合物的單元操作，亨利定律是吸收分析與計算的基礎，其表達式為：

p=Ex (1)

式中p-溶質在氣相中的平衡分壓，E-亨利系數(shù)，x-溶質在液相中的摩爾分數(shù)。

工業(yè)上的吸收操作離學生很遠，但生活中的許多實例卻有助于對亨利定律與氣體吸收的分析和理解。

去青藏等高原地區(qū)旅游，會因缺氧而引起高原反應，為什么？我們知道，大氣中的氧氣比例保持恒定，其質量分數(shù)在21%左右，不因地區(qū)、高度的變化而變化，因此可以認為空氣中氧氣的摩爾分數(shù)y空氣中的O2恒定。根據(jù)道爾頓分壓定律：

pO2=p y空氣中的O2(2)

式中pO2-空氣中的氧氣分壓，p-外界大氣壓強。而血液中的溶氧量，根據(jù)亨利定律：

pO2=Ex血液中O2(3)

在高原地區(qū)或高山上，外界大氣壓強p變小(當海拔3000 m時，外界大氣壓強p=0.701×105Pa)，導致pO2變小，由式(3)知，x血液中O2變小，血液通過肺部吸收的氧氣減少，也就是血液中的溶氧量減少，導致大腦缺氧而引起高原反應。

夏季魚塘容易缺氧而導致魚集體死亡，外界大氣壓并沒有變化，為什么水中的含氧量會減少呢？那是因為溫度升高，氧氣在水中的亨利系數(shù)增大，根據(jù)亨利定律，x水中O2變小了，所以引起水中缺氧。怎樣在夏季增加水中的氧含量呢？魚塘中的增氧機是將水打到空中，通過增加空氣(氧氣)與水的接觸面積來增加水中的氧含量。在工業(yè)吸收操作中，又是如何提高氣體與液體的接觸面積，從而提高氣體吸收量呢？原來是通過細小的填料來實現(xiàn)的。由此，通過層層分析，使學生理解了工業(yè)生產上為什么用填料塔來進行吸收操作，并順利引出工業(yè)吸收操作的主體設備—填料塔。

其實，我們身邊還有許多的現(xiàn)象都可以用化工原理的基本理論來解釋，如：“夏天的悶熱與濕度的關系“可以用于理解干燥中濕空氣的性質，“冬天、夏天我們坐木椅和金屬椅的感覺”可以比較不同物質的導熱性能，“冬日里陽光下灰塵的下降”可以分析固體物質沉降原理，“向上吹為什么不能吹出漏斗中的乒乓球、而向下吹漏斗中的乒乓球為什么不會掉下來”可以通過流體動力學方程的分析甚至計算來解釋。當生活中常見的現(xiàn)象與本顯枯燥的理論、公式相遇的時候，學生會激發(fā)出極大的學習興趣。發(fā)現(xiàn)、挖掘身邊與化工原理有密切聯(lián)系的生活實例，并將之靈活應用于課堂教學中，化工原理課堂教學將更加有效。