節能減排背景下的“工程熱力學”教學方法研究

楊曉宏 張欣宇 高虹 賈彥

[摘 要]熱力學是一門研究物質能量及能量傳遞轉換的學科，它以內容抽象難懂、基本概念多、公式多、難點集中而著稱。通過闡述課程在節能減排技術應用中的重要性，國內外工科院校的地位及課程的特點，探討實行“精講，突出重點、難點，增加新能源轉換利用，樹立工程觀點”等在節能減排背景下熱力學的教學內容和教學方法，為教學方法改革提供一定的思路。

[關鍵詞]工程熱力學 學科特點 教學方法

[中圖分類號] G712[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2012）10-0100-03

熱現象是人類最早廣泛接觸的自然現象之一，是每一個工程領域幾乎都會碰到的物理現象。能量的有效合理利用是每一個工程師都要碰到的問題。熱力學是一門研究物質能量、能量傳遞轉換關系及能量與物質性質之間普遍關系的科學，而工程熱力學是熱力學的分支，是在闡述熱力學普遍原理的基礎上，研究這些原理技術應用的學科，它著重研究熱能與機械能的轉換規律及工程應用。該課程應用十分廣泛，幾乎所有工科院校的各個專業都設置了該課程。工程熱力學以內容抽象難懂、概念多、公式多、難點集中而著稱。為適應教學改革后學時數減少，節能減排與低碳經濟的發展需要，筆者通過近幾年教學實踐，對工程熱力學的一些教學方法改革進行了一定的探討。

一、工程熱力學工科院校的地位與節能減排的關系

熱現象是自然界中最普遍的物理現象，能源問題是21世紀我國乃至世界所面臨的首要問題。自然界中已開發和利用的能源有燃料的化學能、風能、太陽能、水能、核能、地熱能、海水潮汐能等。在我國能源利用中有85%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（轉換機械能），人類在現代生產領域中所碰到的大多數技術問題均與熱現象有關。據資料調查顯示，中國的能源使用效率僅為歐美發達國家的12%～27%，是全世界自然資源浪費最嚴重的國家之一，推進節能減排技術，可謂迫在眉睫。目前針對全球節能新技術的推廣、研發和利用，提高節能減排意識和工程技術從業人員節能素質是中國高等工程教育中必須深入和強化的教學內容，但是國內的工程熱力學還未在教材、課堂教學和素質培養過程中明顯體現。進入21世紀，隨著科學技術的發展，學科間交叉與滲透使熱工理論與技術不僅成為能源與動力類專業的重要技術基礎課，并且深入到其他各個領域中。在國內外高等工程教育中，機械系、化工系、動力系、核能工程系、材料系、電子信息、建工系、環境科學系等熱工課程開設是比較普遍的，只是在開設的內容和學時上有所區別。為了有效合理利用能源，每個工科學生都應具有熱工知識。從原理和本質上講，熱力學就是為節能減排和低碳經濟而生的，是解決低碳經濟和節能減排的最佳工具。因為通過具體的理論可計算出物質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，同時解決復雜體系中同時存在的能量和物質轉換效率問題。

二、工程熱力學課程的突出特點

（一）內容抽象

工程熱力學是具有百年歷史的經典學科，以其抽象著稱，是訓練抽象思維、培養科學思維最好的一門課之一。它采用宏觀的研究方法以數學推導為基礎，很多過程因看不見具體實例，往往不容易被接受，更不容易被深入理解。例如準靜態過程和可逆過程是該課程接觸到的第一個抽象概念，尤其是對可逆過程定義中“使系統、外界、工質亦回到初始狀態，就好像什么也沒發生一樣”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、外界、工質亦回到初始狀態”以證明該過程是不可逆過程，這種逆向思維，使學生接觸起來比較困難。再比如內燃機循環，實際內燃機汽缸是可見的，但工質在熱工設備中完成能量轉換過程是看不見的，將汽油和空氣混合燃燒產生高溫高壓燃燒產物抽象為1kg空氣從某一高溫熱源吸熱，從工質作功能力角度來說是一樣的。另外許多公式的推導僅僅是利用數學為工具，沒有結合具體熱力過程，這種用數學語言描述物理概念及其意義的方法，學生較少接觸，普遍反應抽象。再如可逆過程容積變化功表達式推導，盡管最終形式非常簡單，但推導過程是將物理學功的定義、數學微積分知識、可逆過程實現的條件三者結合起來，它完全拋開了系統邊界受力情況，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，內容涉及面廣

在工程熱力學中，相互獨立的概念非常之多。系統有閉口系統、開口系統、絕熱系統、孤立系統；工質分兩大類，即理想氣體和實際氣體，理想氣體又有混合物如濕空氣等，實際氣體有水蒸氣、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際氣體；功有容積變化功（膨脹功和壓縮功）、技術功、軸功、推動功、內部功，各種功在不同熱力過程中表達式又不盡相同；計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量比熱、摩爾比熱、容積比熱；理想氣體和實際氣體熱力過程分為定容、定壓、定溫、可逆絕熱、多變過程；工質循環包括內燃機循環（可根據工質不同又分為三個循環）、燃氣輪機循環、蒸汽動力循環、蒸汽-燃氣聯合循環、核動力循環、制冷循環（使用不同工質對應不同循環）；工程熱力學中圖表也很多，有水蒸氣圖表和h-s圖；實際氣體lgP-h圖；濕空氣有h-d圖。可見該學科包括的概念多、內容多并且復雜，不便學生在短時間記憶，初學者很容易產生似是而非的錯覺，極易混淆。

三、工程熱力學教學方法思考

（一）實行精講，突出“重點、難點”教學

在近幾年的教學中，為了適應現代化技術發展，應遵循淡化專業、厚基礎的原則，強調學生綜合素質和創新能力及節能減排意識提高的培養。筆者認為該課程的開口、閉口能量方程式、理想氣體性質及相關計算是基礎，應準確描述該學科基本概念，掌握熱力學第一定律的閉口和開口系統能量方程式各種形式的應用條件；理想氣體比熱和熱量、狀態方程式，內能差、焓差、熵差的計算；切實理解熱力學各種功的含義和計算公式及它們之間的區別和聯系，這樣在對第四章中理想氣體四個熱力過程進行分析時就較為輕松；每個熱力過程分析內容十分相似，在教學中詳細講解一個如定壓過程，可以把所需公式寫到黑板一側，如果遇到難點，比如定熵過程的過程方程式由教師推導，其他熱力過程讓學生預習后自己到黑板講解，這樣既可以提高學生口頭表達能力，而且可以使學生牢固掌握分析熱力過程的一般的方法，還可以節省大量時間，起到事半功倍的效果。前幾章基礎打好了，后面具體工程應用中除了循環特點不一樣，其他如對能量的分析等問題講解起來就很輕松，而對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推導出大量公式，教學的目的不是機械地死記硬背公式，而是掌握分析方法，只有這樣才能觸類旁通，融會貫通。在近幾年的考試中筆者發現，對狀態參數如P、v、T、u、h、s是數學上點函數，與路徑無關，學生理解不透徹，一到具體過程，多數學生對“起始點相同的可逆和不可逆過程的熵差、熱力學能差相”等概念不清楚，盡管狀態參數的概念是最先講解的，但由于工程熱力學中的狀態參數是隨著課程的逐漸深入出現的，一定要反復提到狀態參數的特點，學生才能牢固掌握，尤其是對熵這個狀態參數。

熵和熱力學第二定律及火用和火無，是工程熱力學重點內容，也是難點集中之處。在講授方法上要特別注意由淺入深，承上啟下，尤其是熵。在未講解熱力學第二定律之前，可將熵與其他狀態參數一起提出，僅介紹定義及籠統介紹熵在熱力學中的地位，使學生先建立初步印象，之后在熱量計算時再次提出可逆過程熱量和熵的關系，使學生對熵產生似曾相識的感覺，為今后學習作一個鋪墊，最后再通過克勞休斯等式正式提出熵。通過建立孤立系統dsiso≥0方程，一切自然界過程都是朝著使孤立系統熵增大方向進行，引出熱力學第二定律實質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行方向性的物理量。孤立系統熵之所以增大是因為實際過程均是不可逆過程，引出熵產概念，孤立系統熵增即熵產。孤立系統中出現不可逆循環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，所以熵產與工質必然有聯系，從而導出火用損I=T0Sg，這樣循序漸進，思路清晰，學生容易理解。

（二）增加新能源轉換利用教學內容，激發學生學習興趣

在《學習的革命》一書中曾提到，教師在傳授知識的同時，應告訴學生該學科在今后工作中作用和利用價值。一門課能不能在講課的第一天起就使學生產生濃厚學習興趣和求知欲望，“緒論”這一部分的內容的講解是十分重要的，大多數教師都將精力花費在課程主要內容上，而將緒論的重要性淡化了。而學生對學習一門課的積極性，除了與教師的講授水平有直接關系外，更與學生的學習動機、興趣等眾多因素有關。筆者首先在緒論課中傾注了大量精力，第一節課首先讓學生看教學錄像，了解熱工轉換設備工作原理，讓學生有一個初步的印象。之后在緒論中介紹自然界中已開發的各種能源太陽能、風能、水能、地熱能、核能、燃料化學能、生物質能、海水潮汐能在國內和國內利用情況及對國家經濟發展、社會進步、環境保護的重要作用，這些極易抓住學生的注意力，引起學生強烈興趣。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出來，然后馬上提出工程熱力學就是研究熱能利用及轉換規律的學科，介紹該學科發展歷史以及它對于工科學生的重要性。在介紹發展史時主要講述了在歷史上對熱力學有杰出貢獻的科學家，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時介紹超音速飛機的發展及世界上第一個突破音速飛行的美國空軍飛行員查而斯·耶格而的事跡，讓學生了解科學家如何運用自己的智慧，披荊斬棘開出一條通向未知世界的征途，以及科學家發明創造道路中付出的極大努力，鼓勵學生學習他們堅韌、一絲不茍、孜孜以求的人生態度和科學探索精神，這樣不僅傳授了知識，還起到了育人的教育作用。

20世紀下半葉，熱力學無論在學科內容和應用范圍上都有很大發展，產生了與現代技術密切相關的新內容，例如能量的直接轉換正在成為研究熱點，如小型半導體制冷、熱泵的研究；余熱的利用和節能技術；非平衡熱力學的研究進展及在生物工程方面的應用以及與中醫相結合的可能性；探討用損失的熱力學代價與經濟代價之間的相互聯系；新工質開發如新型環保制冷工質研究情況；動力機發展中燃氣輪機新進展，蒸汽-燃氣聯合循環為何日趨受到重視；蒸汽動力循環超臨界機組在國外應用情況及現階段我國研究及利用情況；卡諾循環的拓寬和發展；核能、太陽能、風能、生物能等可再生能源在國內和國外的實際應用案例，新能源汽車動力循環，地源熱泵循環，太陽能熱水系統，建筑節能中的熱力學問題等。

（三）理論聯系實際，樹立工程觀點

工程被認為是一種較為重要的，富有創造性的行業，在這個行業里，人們應用學習、實踐、實驗獲得的數學和自然科學知識，通過判斷、開拓經濟利用自然界各種原材料和能源的方法，以造福人類。可見對于工科學生來說培養工程應用觀點是多么重要。我國大學生從高中考入大學之前，幾乎沒有接觸過實際工程，如何在大學四年中通過技術基礎課和專業課培養工程觀點呢？工程熱力學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際中的具體應用，如動力循環中內燃機、燃氣輪機、蒸汽機和制冷循環等都有具體應用背景，課程的內容并不是設備結構，而是工質在熱工設備中能量轉換關系，要讓學生掌握一種方法，即如何撇開次要因素和干擾因素，透過模糊不清的現象，抓住事物本質，將實際循環抽象為理想循環進行分析（如熱效率分析等），之后再將理想循環修正后應用于實際循環，是一個從復雜到簡單再到復雜的過程，進而延伸和擴展去解決問題。再比如學習氣體和蒸汽流動，將噴管作為工程應用實例講解，噴管在航空發動機、工業動力、化工、制冷、氣力輸運等方面有廣泛應用，因為流動為定熵過程，前面已經講解，許多內容可一帶而過，避免重復，主要介紹新知識。如一個洲際導彈在進入大氣層時，導彈頭部滯止溫度和壓力計算絕熱滯止狀態， 從而引出滯止狀態，很新穎。講解相對濕度、露點溫度概念時，常舉一些生活中例子，如為什么陰雨天曬衣服不容易干，結露、結霜等自然現象，建筑中房間內墻冬天溫度為什么一定要高于露點溫度，空氣的調溫調濕等。通過與工程和生活的緊密相連，可使學生更加深刻地理解熱力學理論，并增加了學習趣味性和主觀能動性，使課堂氣氛活躍生動，對于教師來說，更可使教學達到教師少教，學生主動多學的目的。

（四）激發學生自主學習的主動性

隨著課程學時的減少，有一部分內容必然要通過學生自學獲得，對某些共性的原理、方法、數學推導不需要過多講解，可留給學生自學；對于每一章出現的重復性內容，如壓氣機不同熱力過程技術功計算公式、水蒸氣流經噴管計算、內燃機定壓加熱理想循環、濕空氣屬于理想氣體混合物，其折合氣體常數、分子量、密度、濕空氣比容計算公式等都可以作為自學內容。但自學內容并不是不重要。為了提高自學效果，要結合具體內容，布置思考題和作業，使學生在完成作業同時加深對知識的理解，這既是促進學生自學的必要措施，又是教師掌握學生自學情況的手段，并且自學內容也應適當作為考試內容，這樣才使自學不流于形式。

教師工作絕不是簡單的逢山開路，也不是簡單的“熟練工”，是一個系統工程，是一門藝術，是富有挑戰性的工作，需經過多年的積累，做到“常講常新”。

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[責任編輯：劉鳳華]