《工程熱力學》課堂教學中節能減排意識的培養

趙煒+喬芬+吉恒松+王謙

摘 要：工程熱力學是研究熱能和機械能間相互轉換規律的一門基礎學科，是熱能工程及相關學科的核心基礎課程，學生通過學習明確本學科的研究方向和學習任務。針對能源的利用問題，在本課程的授課過程中，重點培養學生的節能減排意識，突出提高能源利用率和節能評價方法，樹立工程觀點在節能減排背景下本課程的教學內容及教學方法，為教學方法改革提供新思路。

關鍵詞：工程熱力學 節能減排 核心作用 意識培養

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0231-03

Abstract：Engineering thermodynamicsis an important elementary course about transformation rule between heat energy and mechanical energy and the core basic curriculums of thermal power engineering and related discipline. Then， the students can explicit the research direction and leaning task about this subject. In view of energy use， the students are the key core of energy conversion and emission reduction to focus on training. In the process of teaching， energy utilization and energy conversion evaluation methods are highlight enhanced. And the engineering viewpoint can be set up in the content of course and teaching method of engineering thermodynamics in the context of energy conservation and emission reduction. Finally， this study provides a new train of thought for teaching methods.

Key Words：Engineering Thermodynamics； Energy Conservation and Emission Reduction； Core Role； Cultivating Consciousness

能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質，縱觀人類的社會發展歷程，人類文明的每次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。能源的開發利用是推進世界經濟和人類社會發展的重要因素。過去一百多年里，發達國家先后完成了工業化，消耗了大量的自然資源，尤其是能源。當今世界，溫室效應的危害已顯現，能源價格也瘋漲且儲量日趨減少[1]。顯然，為了人類的可持續發展，節能減排是必須的，要將節能減排意識貫穿社會的各方面才能有更好的收效[2]。為了實現節能減排，我們可以采取“開源”和“節流”。“開源”指開發利用新能源，以減少化石燃料的使用。“節流”就是要減少損失，即在不改變使用效果的同時，減少耗能設備的能量使用。從原理和本質上來說，我們可以通過工程熱力學的知識點實現這兩方面，熱力學是解決節能減排的最佳工具。因此，節能減排意識的培養應該作為工程熱力學教學的基本目標。為了適應節能減排的發展需要，現對工程熱力學的一些教學方法改革進行一些探討。

1 節能減排與工程熱力學的關系

工程熱力學是能源與動力工程類專業的重要專業基礎課，其研究對象是熱能與其他形式能之間的相互轉換關系，尤其是熱與機械能之間的相互轉換及其應用。本課程的基本目標是通過對熱力系統進行分析研究，改進和完善其工作循環，提高熱能的有效利用率及熱功轉換效率。而提高熱能的利用率，就意味著，利用相同的熱能的前提條件下，向環境排放的污染物量減少。可見，節能減排意識的培養應該作為工程熱力學課程教學的基本目標。

工程熱力學包括基本原理和基本理論在工程實際中的具體應用兩大部分，而貫穿本課程教學的思想就是提高能量的利用率，這也構成了節能減排的理論基礎。熱力學第一定律從能量的數量守恒的角度解釋了節能減排的基本原理，其是能量守恒與轉換定律在熱現象中的應用。它闡述了熱力系與外界交換的能量在數量上是守恒的關系。既然能量是守恒的，那為什么我們還要節約能源呢，這是因為，雖然能量是守恒的，但是有些能量是不便于被利用的，例如，物質的熱力學能過程中耗散的能量。且我們目前所使用的煤、石油、天燃氣是不可再生的，并不是取之不竭的，故要節約使用。但是從數量上來實現節約的目的還是遠遠不夠的，這就要求合理用能，提高能的品質問題。

熱力學第二定律從品質的角度闡述了節約一次能源的基本思路。它解決了與熱現象有關的過程能夠進行時的方向、條件及限度的問題。物質不滅，但質量在遞減；能量雖守恒，但是品質在下降。我們不僅要在數量上實現節約，而且要盡可能的利用低品質的能源。任何能量交換必須同時滿足熱力學第一定律和第二定律，第二定律從方向性上彌補了第一定律的不考慮過程方向性的問題。第二定律是當代節能減排的重要基礎，指出在相同的能源使用效果中，如何加強低品質能源的利用率，對各種工程問題具有重要的理論指導意義。

從工業生產過程來看，工科的學生應該具備合理使用能、節約用能的意識及掌握基本的技術，而工程熱力學課程的內容就是合理使用能和節能理論中最根本與核心的部分。

2 節能減排意識在工程熱力學教學中的培養endprint

為了實現培養學生節能減排的意識，在本課程的教學過程中，應該要重點突出以下5點。

2.1 在教學內容的設置上，突出提高能量利用率的思想

工程熱力學的教學內容的主線是如何提高能量的利用率，其理論基礎是熱力學第一定律和第二定律。能量在傳遞和轉換的過程中，雖然數量是守恒的，但是其質量在不斷衰退。節能不僅要減少能量數量的使用，而更重要的是要降低質量的衰退。

在教學過程中，要使學生建立各種不同的過程和循環來實現降低能量衰退，從而實現節能的目的。在課堂上積極引導學生的積極思維，找到能量質量下降的根本原因，即過程中存在的一些耗散效應，即不可逆因素。

2.2 在教學內容上，要突出節能的評價方法及其應用

常用的評價方法包括效率法、熵方法和方法。其中，效率法是從能量的數量角度考慮；熵和是質量和數量的角度考慮。故我們可以利用熵和分析方法對能量的轉換進行分析達到節能的目的。在實際教學過程中，要讓學生掌握三種分析法的使用場合，具體問題具體分析，特別是從節能的方面選擇合適的能量分析方法。

燃煤發電時，效率只有40%左右，即60%左右的能量在轉換過程中以廢熱的形式消耗在了大氣環境中，如何提高其效率，是科技人員不懈的追求[3]。在這里講到提高能源的利用率的重要性，可以提高學生的責任感和使命感。

2.3 在實際教學中，突出節能理論的應用

工程熱力學是以能量為研究對象，而能量轉換中大多數以熱能的形式存在，節能的根本要科學用能，科學性越高越節能。在實際教學過程中，要引導學生深入研究能耗系統。分析出系統的最合理配置，同時要研究機械能損耗過程中物質轉變為能量的規律和應用過程及方法，通過對這些過程和規律的研究，達到能源的高利用率和污染最小化的節能減排目的[4]。在教學中，可引入提高能量利用率的措施，如再熱、回熱、熱電聯產和熱電冷聯產等，進一步探討節能的方法和措施。現在大型的蒸汽動力裝置大部分采用回熱措施，有時候為了進一步提高循環效率，通常將回熱與再熱同時并用，以求蒸汽動力裝置得到盡可能高的熱效率。為了充分利用乏氣的能量，可以讓蒸汽少做一些功，將較高的溫度排出汽輪機，進入下一個用能設備加以利用，實現熱電聯產模式。目前，有學者提出熱電冷聯產模式，高品位的能量用于發電，相對低品位的能量用于空調或其他工藝[5]。教師要把有利于節能減排的新產品、新工藝及時補充教學體系中，并對涉及到的主要方法和技術的發展趨勢進行總結，引導學生的學習，提高學生的學習興趣，從而使教學內容緊跟科技發展的趨勢，同時在教學內容上體現節能減排的意識培養。

2.4 理論聯系實際，樹立節能觀點

在課堂教學中，運用實例有助于學生更好地理解本課程對于節能減排的應用意義。通過學習本課程，我們知道熱泵是一種熱量從低溫物體轉移到高溫物體的能量轉換裝置[6]。雖熱泵由低溫轉到高溫是非自發的，必須消耗機械能，但熱泵的供熱量遠遠大于所消耗的機械能。熱泵也可以節省電能，與直接用電取暖相比，采用熱泵可以節電80%以上。而且利用熱泵還能節約燃料，若生產和生活中需要100℃以下熱量，采用熱泵比直接采用鍋爐來供熱可節約50%的燃料。再如，在講解熱力學基本定律時，增加實例來幫助學生理解節能與熱力學基本定律之間的關系。請學生分析空調供暖與電爐取暖哪種方式更加節約能量。課堂教學中，請學生計算節約1度電可以少造成多少污染，少排放多少SO2、NO2、CO2和粉塵，還可以節約多少的凈水。如果按我校43000的大學生平均每人每學期節約1度電計算，總共可以省多少噸的煤，少造成多少的污染。通過實例計算，培養學生日常生活中的節能意識，也可以增加理論知識的趣味性，也能增強學生學習的主動性。

2.5 與教師的科研工作相結合起來，在實踐中培養學生的節能減排意識

教師的一些科研課題，如提高蒸汽動力循環效率的技術研究與應用、火電廠排放廢氣中氮氧化物、二氧化碳的減排研究等均與節能減排技術緊密結合，在課堂教學中教師可以利用在科研中所取得的成果與心得，結合實際案例講給學生，同時可以利用畢業論文讓學生參與到課題研究中，這不僅可以鞏固學生專業知識，也培養了學生的興趣，重要的是理論聯系實際，更加能加深學生對節能減排的重要性和必要性的認識與理解，從而更加有利于鞏固節能減排意識[7]。

3 結語

大學生是社會中具有較高文化層次的社會群體，其節能減排的意識直接影響著社會的環保意識的水平，對整個社會的環保氛圍有著重要的示范和引導作用。工程熱力學與節能之間緊密聯系，在工程熱力學教學中要重視培養學生的節能減排意識，促使他們科學用能，結合實際案例調動學生的學習興趣，在實踐中能不斷創新，在提高能源利用率的同時，開發并利用新能源，找到節約能源與保護環境的可持續發展方法。

參考文獻

[1] 王克群.節能減排的意義及對策[J].延邊黨校學報，2007（2）：37-39.

[2] 周娟，郭槺彬，王舫，等.基于節能減排的“工程熱力學與傳熱學”教學方法探析[J].教育現代化，2016（25）：137-138.

[3] 陳占秀.論工程熱力學作為專業基礎課的核心作用[J].高等建筑教育，2010，19（2）：90-92.

[4] 吳晅，金光，高靖芳，等.工程熱力學教學方法改革[J].中國冶金教育，2014（4）：24-25.

[5] 董韶峰，董少龍，彭惠蘭.《工程熱力學》教學中的節能環保教育[J].華北水利水電學院學報：社科版，2011， 27（4）：174-175.

[6] 華自強，張忠進，高青，等.工程熱力學[M].4版.北京：高等教育出版社，2012.

[7] 劉均榮.在石油工程專業課教學中培養學生“節能減排意識”[J].中國石油大學勝利學院學報，2008，22（1）：80-81.endprint