CO2超臨界狀態解析與課程思政設計

李運超，孟宸宸，許慧敏，白祎琦，李曉宏，祖莉莉，高靚輝，范樓珍

北京師范大學化學學院，北京 100875

為了更好地完成立德樹人的根本任務，培養滿足新時代發展需要的青年后備人才，開展專業課課程思政，落實“三全育人”教育理念，極其重要，也勢在必行[1,2]。為此，教育部頒布了多個指導性文件來落實各類專業課課程思政，如明確指出理學類專業課程“要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感”[3]。盡管如此，由于思政素材分散且與專業知識涇渭分明，理工類專業課課程思政教學難度普遍較大，在實施過程中易出現“兩張皮”“標簽化”以及“說教式”的傾向[3]。為此，北京師范大學物理化學教學團隊較早地開展了物理化學課程思政探索和實踐[4,5]，在課程思政素材的挖掘和融入、課程思政教學手段以及評價方式等方面總結出一些行之有效的策略，較好地解決了上述問題。例如，提倡根據學科知識特點，深入挖掘和整理思政素材，依據與知識內在關聯將其有機融入課程知識體系和日常教學實踐中；通過問題導向的自主學習結合翻轉課堂，引導學生自主發掘思政素材，實現自我思政教育。從而在“春風化雨、潤物無聲”中將“科學精神、家國情懷、責任擔當”等思政元素播撒于學生的頭腦中，達到專業知識學習和道德情操修為相濟相長的效果。本文以CO2超臨界狀態及其制冷應用為例，展示如何以關鍵概念與技術背后的物理化學原理為紐帶，在課堂教學中有機融入思政案例和開展課程思政翻轉課堂教學，以期“以點帶面、拋磚引玉”，共同推動專業課課程思政發展和提升其育人實效。

1 CO2超臨界狀態及其特征

1.1 CO2超臨界狀態

CO2相圖是典型的單組分相圖，其特征與水的相圖類似，由三條兩相線交匯于一點，總體呈“Y”字型；其中氣液兩相平衡線延伸的終點稱為臨界點，對應特定的溫度和壓強(T= 304.13 K，p= 7.38 MPa)。在臨界點處，因高溫而膨脹的液態CO2和因高壓而壓縮的氣體CO2的密度正好相等，此時液體和氣體完全交融在一起，不存在相界面，系統變為一相，具有相同的摩爾體積和摩爾熵[6](圖1)。因該點具有確定的溫度和壓強(即溫度和壓強因特殊的制約關系而限定)[7,8]，故可推知其自由度為零且不滿足Clapeyron方程。溫度和壓強值超越此點的CO2稱為超臨界CO2(見圖1右上標黃區域)，又稱為超臨界CO2流體(Supercritical fluid，SCF)，其性質介于氣體和液體之間，兼具氣態與液態物質的雙重特性。

圖1 CO2相圖及在不同條件下的氣液界面[7]

1.2 超臨界CO2特征及應用簡介

具體而言，CO2SCF既具有液體一樣的密度、溶解能力、傳熱系數等特征，又具有氣體低黏度、高擴散性以及高壓縮性等特性。此外，值得一提的是，其擴散系數、傳熱系數、介電常數等物性參數在臨界點附近對溫度和壓力特別敏感，易于調控改變。因此，CO2SCF具有以下獨特性質[7,9]：(1) 極高滲透溶解性；(2) 其溶解能力受溫度和壓強影響顯著；(3) 超高流動性；(4) 優異熱傳導性；(5) 無毒、無味、不可燃；(6) 維持該狀態所需的溫度較低、壓力適中，對設備要求不高。基于上述特性，超臨界CO2在多個領域(如活性組分萃取、食品加工、綠色合成等)顯示出重要的應用價值并已得到廣泛使用；特別是近年來作為一種低碳、環保、安全的自然工質在制冷領域顯示出極具競爭力的優勢[10]。

2 超臨界CO2制冷原理與應用現狀

2.1 超臨界CO2制冷原理

常溫常壓下的氣態CO2被施加一定高壓后會轉變為SCF；這種似氣類液的特殊流體具有良好的流動性和傳熱性，極易傳輸和被壓縮，當被高效輸送到需要制冷的區域后，可通過蒸發來大量吸熱而達到降溫制冷效果。目前開發的CO2制冷系統大都采用跨臨界循環(即在常態和臨界狀態間來回轉換)，其工作原理如圖2所示[10]：其中1→2階段為液態CO2制冷劑在蒸發器中通過蒸發吸熱而使周圍環境溫度降低的制冷過程；2→3階段為常壓氣態CO2制冷劑被壓縮機壓縮而轉變為高溫高壓超臨界CO2過程；高溫超臨界CO2制冷劑隨后在3→4階段中進入氣體冷卻器進行定壓放熱(即在超臨界狀態下發生無相變放熱，此過程的廢熱可回收利用)；4→1階段為絕熱節流過程(即Joule-Thomson過程)，CO2制冷劑在此過程中通過節流膨脹而降壓降溫變成常壓低溫液體，之后進入蒸發器完成一個制冷循環。這種CO2跨臨界制冷循環系統因具有突出的環保和節能減排優勢，特別適合于滿足大型設施/場館的制冷需求(尤其是在高質量冰雪場地和賽道的建造和維護方面)。遺憾的是，CO2跨臨界制冷技術之前一直掌握在歐美等國家高技術企業手中并對中國實行技術封鎖。

圖2 CO2跨臨界制冷循環系統工作原理圖

2.2 超臨界CO2制冷技術應用現狀

近年來隨著環保、安全、節能意識的提高，CO2這一傳統的天然工質在制冷領域重新受到廣泛關注。遺憾的是，通常采用的CO2亞臨界循環制冷技術，因制冷效率易受環境溫度影響，其廣泛應用受限。基于此，挪威科學家Lorentzen于1992年首次提出CO2跨臨界循環制冷設想，即CO2以超臨界狀態傳輸且以亞臨界狀態蒸發制冷[11]；不僅可解決上述局限，還能進一步提升系統制冷效能。經過30余年的發展，目前CO2跨臨界循環制冷已推廣應用于汽車空調、冷凍冷藏、溜冰場制冰等領域，特別是在歐美國家的商超制冷領域得到了廣泛應用。盡管如此，由于超臨界CO2制冷技術涉及CO2超臨界狀態營造與維持，對系統的壓縮比和可承受的壓強提出了更高要求，因此一直難以在大型冰雪場館中得到實際應用，直至北京冬奧場館的建設才填補了該技術在大型冬奧場館比賽專用冰面制備方面的空白[12]。

3 超臨界CO2制冷技術課程思政教學設計

3.1 教學設計

CO2超臨界狀態及應用在“物理化學”單組分相圖部分通常作為知識難點和應用案例介紹，為了挖掘并發揮該內容的課程思政育人功能，可采用融合了任務驅動的自主學習、翻轉課堂及課后拓展的綜合式教學方案。例如，在課前，教師可布置學習任務，安排學生通過查閱資料了解人工制冰造雪的原理和主要方法，分析原有方法在能耗、成本、安全和環保等方面存在的問題；并結合小組討論，提出解決這些問題的基本思路與方案。在課堂上，首先要求學生匯報他們的調研總結和解決方案，然后教師以創新應用案例的形式導入思政案例，師生共同討論分析超臨界CO2制冰造雪原理、優勢及啟示。課后要求學生拓展了解超臨界CO2在不同行業中的應用及其啟示。籍此使學生感悟相關案例中所蘊藏的科學創新精神、以國家重大需求為己任的責任擔當、低碳“綠色”發展理念以及民族自豪感。

3.2 思政案例導入

教師以創新應用案例的形式，如“試以北京冬奧會制冰造雪為例，結合資料分析超臨界CO2在制冷領域的特殊優勢及啟示”，導入如下的課程思政案例：為了貫徹“科技奧運、綠色奧運”的核心理念，辦好2022北京冬奧會，為世界各國冰雪運動員提供高質量的比賽專用冰道和雪道，我國科技工作者主動以國家重大需求為己任，發奮自強，勇于開拓創新，通過產學研協同攻關，自主研發出達到國際先進水平、具有自主知識產權的二氧化碳跨臨界直冷制冰和二氧化碳超臨界制雪技術，打造了“最美、最快的冰面”[13]和零上高品質“冰狀雪”(圖3)[14]。非常值得驕傲的是，國家速滑館是世界首個采用“二氧化碳跨臨界直接蒸發制冷技術”的冬奧場館，其冰面溫差可控制在0.3-0.4 °C以內，為運動員提供一個軟硬度均勻穩定的優質冰面，并可實現快速、高效的冰面轉換；僅在制冷環節每年可節電200余萬度，無論是綜合能效還是冰面溫差均達到國際先進水平。開發的零上高品質動態人工造雪和儲雪一體化技術與裝備，可在氣溫處于0-15 °C時，利用二氧化碳超臨界制冷技術實現安全、高效、低成本、高品質的人工造雪。上述先進技術的開發不僅成功保障了北京冬奧會和冬殘奧會冰/雪道各項賽事的順利舉辦，還充分展示了我國的創新發展理念、科技實力以及責任擔當。

圖3 國家速滑館多功能全冰面——“冰絲帶”和首鋼滑雪大跳臺高品質人造雪道[15]

3.3 課堂匯報與討論

在查閱資料的基礎上，要求學生以課堂匯報+討論的形式，比較和總結CO2跨臨界直冷制冰技術與傳統制冷技術(以氯氟烴類或液氨為制冷劑)的優勢和啟發(見表1)。教師注意在討論中引導學生理解相關的物理化學原理。

表1 幾種代表性制冷技術綜合性能比較

3.4 價值引領、知識拓展與教學效果評價

通過以上事例鮮明的對比分析，學生很容易總結出：只有創新才能突破；靈活掌握物理化學原理可解決重大科技/工程問題；要有低碳“綠色”發展意識，才能契合國家和社會的發展需求；并能切實感受到我國科技人員的創新精神和責任擔當。要求學生課后拓展了解并總結超臨界CO2在不同行業(如在中藥材萃取、食品加工以及合成化學等領域)中的特色應用案例及其啟示，以加深對超臨界CO2物性和特色應用的理解，進一步激發開拓創新精神和培育低碳“綠色”發展理念。最后，通過綜合采用“檢查學生查閱資料情況、PPT制作、課堂發言、課堂APP問答、課后總結”等形式對課程思政教學效果進行多元評價。

4 結語

為了解決專業課課程思政教學中出現的一些普遍性問題，本文以CO2超臨界狀態及制冷應用為例，提出以解析關鍵概念/技術背后的物理化學原理為紐帶，依據知識間內在關聯，環環相扣、水到渠成地開展課程思政教學的新思路；并綜合采用了任務驅動的自主學習、翻轉課堂及課后拓展相結合的多元思政教學手段，引導學生自主發掘思政素材，實現自我思政教育。通過以上設計，既鍛煉了學生資料收集和總結能力，加深了學生對物理化學基本原理的理解，提升了學生學以致用的意識和能力，同時激發了學生的創新精神、家國情懷和責任擔當；從而實現了價值塑造、知識傳授和能力培養三位一體的教學目標。我們的教學實踐表明，這種以知識內在聯系為紐帶、結合問題驅動、踐行自主思政教育的課程思政教學模式，更易入腦入心，被學生接受和認同，具有廣泛的可推廣性。

致謝：感謝廈門大學朱亞先教授、山東大學張樹永教授等對本文的指導。