高職高專熱力學第二定律講解方法的探究

鄭福珍 王全福

黑龍江建筑職業技術學院 哈爾濱 150028

熱工學理論基礎是供熱與通風空調工程技術專業主要的專業基礎課程，是為后續專業課的學習提供必要理論基礎的學科。熱力學第二定律在專業領域應用中比較廣泛，是在教學過程中應該注重加強的應用性課程內容。這部分內容理論性很強，而高職高專學生普遍存在基礎差、課時少、課程內容多等特點，因此理論講解很容易使學生感到枯燥無味，從而產生厭學情緒。

結合目前熱工學教學方法研究[1-2]，本文根據熱力學第二定律內容，結合高職高專學生的特點，就如何讓學生學好熱力學第二定律并能較好地服務于專業課程，談一些教學經驗和結果。

1 合理提煉教學內容

高職高專院校的學生與本科院校的學生培養目標不同，他們今后接觸更多的是工程技術中應用性、實踐性比較強的工作和問題，理論研究很少。因此，在專業基礎課教學內容的選擇上要分清主次、合理提煉、適當取舍。在教學實踐中，應把專業基礎課的重點放在應用性強的內容上進行講授，適當降低理論基礎的深度，大膽舍去理論性強而實際工作中應用有限的內容，如克勞修斯積分式、孤立系統熵增原理等。

熱力學第二定律這部分內容在生產實際中應用很廣泛，而且是高職高專學生在將來學習、工作中經常要接觸應用到的知識，因此，教師在教學中必須加強學生對該知識點的掌握和理解。

2 聯系實際的教學引導

學習的興趣是學生積極思考的前提，更是達到成功教學目的的關鍵。如何在教學開始前進行恰當而又能激發學生興趣的引導，是每次課成功講述的前提。如果能在教學過程中，適時巧妙地將理論講解和實際生活聯系起來，必能極大地激發學生學習的興趣和動力，讓學生能更充分地參與進來，成為學習的主體，激發出學習興趣。所以在實際教學中，教師可以在講解理論之前提出幾個實際生活中存在的相關問題，這樣既可以吸引學生的注意力，還能激發他們聯系相關理論的興趣，更能加深學生對相關理論的理解和應用能力。

在熱力學第二定律講解前，提出問題，如：水是否可以自發地由低處流向高處？熱量是否可以自發地由低溫傳向高溫？答案很簡單，問題繼續引出：如果想要實現它們的逆過程應該怎么辦？讓學生結合實際生活說說逆過程的應用。學生非常積極地回答,說出很多應用實例，如：從水井中用水泵抽水；夏季空調房間的溫度低于室外環境的溫度；冰箱內的溫度低于室內溫度；等等。學生的充分參與和思考，大大激發了學習興趣。

3 服務專業的教學理念

專業基礎課是為高職高專學生學習專業課服務的，高深的邏輯理論推導并不會直接服務于專業，所以教學過程中聯系好專業課講解，會使學生對理論知識具有更深刻的理解和具體的認識，也為后續專業課學習打下堅實基礎。

圖1 蒸汽壓縮式制冷系統

圖2 火力發電系統

熱力學第二定律與后續專業課學習聯系密切，授課過程中，先用圖示法（圖1、圖2）為學生講解蒸汽壓縮式制冷系統及火力發電系統原理并提出問題：“為什么有相當多的熱量要在凝汽器中散給冷卻水？全部用來轉化為汽輪機的機械能可不可以？”“要想實現從低溫的冷藏室中把熱量不斷地取出釋放給高溫的冷卻水，自發過程不能實現，想要實現怎么辦？”學生結合原理和問題，很容易得出冷藏室溫度低于冷卻水的溫度，熱量不能自發地由低溫冷藏室傳向高溫冷卻水，要想實現這個非自發過程必須有一個補償條件，即壓縮機產生的機械能轉化為熱能的自發過程。熱能不能無條件地全部轉化為機械能，鍋爐中水獲得熱量變成蒸汽，蒸汽不可能把獲得熱量全部轉化成汽輪機旋轉的機械能，必須伴有一個補償過程，即凝汽器內高溫乏汽向低溫冷卻水的自發散熱過程。

通過這樣的講解，學生很容易得出：自發過程具有不可逆性，但并不是意味著自發過程的逆過程不能實現，這種自發過程的逆過程是可以實現的，但是它的進行是有條件的，也就是必須有另外的補償過程同時發生。例如使熱量由低溫物體傳向高溫物體的非自發過程，可以通過消耗機械能轉化為熱能的自發條件補償來實現；熱能轉化為機械能也是一個非自發過程，但是可以通過使一部分熱量自發的從熱源流向冷源這一自發過程的補償，熱能就可以轉化為機械能。可以得出：非自發過程進行的條件是有一個自發過程與之同時進行，如圖3所示。

圖3 自發過程與非自發過程的關系

4 結合專業回歸理論

根據蒸汽壓縮式制冷系統及火力發電系統原理回歸熱力學第二定律的內容講解。熱力學第二定律的兩種經典描述：1）德國科學家克勞修斯（Clausius）在1865年提出，“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化”；2）開爾文于1851年提出，“不可能制造只從一個熱源取熱使之完全轉換為機械功而不引起其他變化的循環發動機”[3]。根據兩種描述可以看出熱力學第二定律并不是很直接，學生很難理解掌握，具有抽象性強、記憶困難的特點。

對這兩種描述進行簡單變形，克勞修斯描述可以變化為“要想把熱量從低溫物體傳到高溫物體必然引起其他變化”；開爾文描述可以變化為“要想制造出只從一個熱源取熱使之完全轉換為機械功的循環發動機必然引起其他變化”。簡單變化之后，熱力學第二定律的難點落在到底引起什么樣的變化，結合剛剛講過的蒸汽壓縮式制冷系統及火力發電系統原理，學生很容易提煉得出結論，即蒸汽壓縮式制冷系統引起的變化是增加了壓縮機對系統的做功，火力發電系統引起的變化是系統部分熱量散給外界環境。

5 小結

綜上所述，通過熱力學第二定律的講解經驗，可以得出高職高專專業基礎課教學改革應不斷探索一系列行之有效的教學方法，努力提高學生學習的熱情和興趣，引導學生在實踐中充分運用知識，為今后的職業生涯打下堅實的基礎。

[1]黃凱旋,劉建華.《熱工學》教學改革的嘗試[J].集美大學學報:教育科學版,2001(3).

[2]鄒玲,黎愛純.熱工實驗教學改革的實踐與探討[J].實驗室研究與探索,2000(4):40-41.

[3]劉學來,宋永軍,金洪文.熱工學理論基礎[M].北京:中國電力出版社,2008.