节能减排背景下的“工程热力学”教学方法研究

[摘 要]热力学是一门研究物质能量及能量传递转换的学科，它以内容抽象难懂、基本概念多、公式多、难点集中而著称。通过阐述课程在节能减排技术应用中的重要性，国内外工科院校的地位及课程的特点，探讨实行“精讲，突出重点、难点，增加新能源转换利用，树立工程观点”等在节能减排背景下热力学的教学内容和教学方法，为教学方法改革提供一定的思路。

[关键词]工程热力学 学科特点 教学方法

[中图分类号] G712 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2012）10-0100-03

热现象是人类最早广泛接触的自然现象之一，是每一个工程领域几乎都会碰到的物理现象。能量的有效合理利用是每一个工程师都要碰到的问题。热力学是一门研究物质能量、能量传递转换关系及能量与物质性质之间普遍关系的科学，而工程热力学是热力学的分支，是在阐述热力学普遍原理的基础上，研究这些原理技术应用的学科，它着重研究热能与机械能的转换规律及工程应用。该课程应用十分广泛，几乎所有工科院校的各个专业都设置了该课程。工程热力学以内容抽象难懂、概念多、公式多、难点集中而著称。为适应教学改革后学时数减少，节能减排与低碳经济的发展需要，笔者通过近几年教学实践，对工程热力学的一些教学方法改革进行了一定的探讨。

一、工程热力学工科院校的地位与节能减排的关系

热现象是自然界中最普遍的物理现象，能源问题是21世纪我国乃至世界所面临的首要问题。自然界中已开发和利用的能源有燃料的化学能、风能、太阳能、水能、核能、地热能、海水潮汐能等。在我国能源利用中有85%来自煤、石油、天然气等燃料燃烧而释放的热能，热能有直接利用和间接利用（转换机械能），人类在现代生产领域中所碰到的大多数技术问题均与热现象有关。据资料调查显示，中国的能源使用效率仅为欧美发达国家的12%～27%，是全世界自然资源浪费最严重的国家之一，推进节能减排技术，可谓迫在眉睫。目前针对全球节能新技术的推广、研发和利用，提高节能减排意识和工程技术从业人员节能素质是中国高等工程教育中必须深入和强化的教学内容，但是国内的工程热力学还未在教材、课堂教学和素质培养过程中明显体现。进入21世纪，随着科学技术的发展，学科间交叉与渗透使热工理论与技术不仅成为能源与动力类专业的重要技术基础课，并且深入到其他各个领域中。在国内外高等工程教育中，机械系、化工系、动力系、核能工程系、材料系、电子信息、建工系、环境科学系等热工课程开设是比较普遍的，只是在开设的内容和学时上有所区别。为了有效合理利用能源，每个工科学生都应具有热工知识。从原理和本质上讲，热力学就是为节能减排和低碳经济而生的，是解决低碳经济和节能减排的最佳工具。因为通过具体的理论可计算出物质和能量的最大利用极限，有了极限就知道哪些可为、哪些不可为，还有多少潜力可挖，同时解决复杂体系中同时存在的能量和物质转换效率问题。

二、工程热力学课程的突出特点

（一）内容抽象

工程热力学是具有百年历史的经典学科，以其抽象著称，是训练抽象思维、培养科学思维最好的一门课之一。它采用宏观的研究方法以数学推导为基础，很多过程因看不见具体实例，往往不容易被接受，更不容易被深入理解。例如准静态过程和可逆过程是该课程接触到的第一个抽象概念，尤其是对可逆过程定义中“使系统、外界、工质亦回到初始状态，就好像什么也没发生一样”的理解，因该过程无法在自然界中找到而不能在具体热工设备中演示，所以必须用不满足可逆过程的条件就不能使“系统、外界、工质亦回到初始状态”以证明该过程是不可逆过程，这种逆向思维，使学生接触起来比较困难。再比如内燃机循环，实际内燃机汽缸是可见的，但工质在热工设备中完成能量转换过程是看不见的，将汽油和空气混合燃烧产生高温高压燃烧产物抽象为1kg空气从某一高温热源吸热，从工质作功能力角度来说是一样的。另外许多公式的推导仅仅是利用数学为工具，没有结合具体热力过程，这种用数学语言描述物理概念及其意义的方法，学生较少接触，普遍反应抽象。再如可逆过程容积变化功表达式推导，尽管最终形式非常简单，但推导过程是将物理学功的定义、数学微积分知识、可逆过程实现的条件三者结合起来，它完全抛开了系统边界受力情况，也说明了为什么要提出可逆过程的原因之一。

（二）基本概念多，内容涉及面广

在工程热力学中，相互独立的概念非常之多。系统有闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统；工质分两大类，即理想气体和实际气体，理想气体又有混合物如湿空气等，实际气体有水蒸气、氨、氟利昂等；水蒸气在不同条件下既可以是理想气体又可以是实际气体；功有容积变化功（膨胀功和压缩功）、技术功、轴功、推动功、内部功，各种功在不同热力过程中表达式又不尽相同；计算热量的比热按加热过程分为定压比热和定容比热，按单位物量的选取不同又可分为质量比热、摩尔比热、容积比热；理想气体和实际气体热力过程分为定容、定压、定温、可逆绝热、多变过程；工质循环包括内燃机循环（可根据工质不同又分为三个循环）、燃气轮机循环、蒸汽动力循环、蒸汽-燃气联合循环、核动力循环、制冷循环（使用不同工质对应不同循环）；工程热力学中图表也很多，有水蒸气图表和h-s图；实际气体lgP-h图；湿空气有h-d图。可见该学科包括的概念多、内容多并且复杂，不便学生在短时间记忆，初学者很容易产生似是而非的错觉，极易混淆。

三、工程热力学教学方法思考

（一）实行精讲，突出“重点、难点”教学

在近几年的教学中，为了适应现代化技术发展，应遵循淡化专业、厚基础的原则，强调学生综合素质和创新能力及节能减排意识提高的培养。笔者认为该课程的开口、闭口能量方程式、理想气体性质及相关计算是基础，应准确描述该学科基本概念，掌握热力学第一定律的闭口和开口系统能量方程式各种形式的应用条件；理想气体比热和热量、状态方程式，内能差、焓差、熵差的计算；切实理解热力学各种功的含义和计算公式及它们之间的区别和联系，这样在对第四章中理想气体四个热力过程进行分析时就较为轻松；每个热力过程分析内容十分相似，在教学中详细讲解一个如定压过程，可以把所需公式写到黑板一侧，如果遇到难点，比如定熵过程的过程方程式由教师推导，其他热力过程让学生预习后自己到黑板讲解，这样既可以提高学生口头表达能力，而且可以使学生牢固掌握分析热力过程的一般的方法，还可以节省大量时间，起到事半功倍的效果。前几章基础打好了，后面具体工程应用中除了循环特点不一样，其他如对能量的分析等问题讲解起来就很轻松，而对不同热效率等问题的分析就可迎刃而解。在热力过程分析中会推导出大量公式，教学的目的不是机械地死记硬背公式，而是掌握分析方法，只有这样才能触类旁通，融会贯通。在近几年的考试中笔者发现，对状态参数如P、v、T、u、h、s是数学上点函数，与路径无关，学生理解不透彻，一到具体过程，多数学生对“起始点相同的可逆和不可逆过程的熵差、热力学能差相”等概念不清楚，尽管状态参数的概念是最先讲解的，但由于工程热力学中的状态参数是随着课程的逐渐深入出现的，一定要反复提到状态参数的特点，学生才能牢固掌握，尤其是对熵这个状态参数。

熵和热力学第二定律及火用和火无，是工程热力学重点内容，也是难点集中之处。在讲授方法上要特别注意由浅入深，承上启下，尤其是熵。在未讲解热力学第二定律之前，可将熵与其他状态参数一起提出，仅介绍定义及笼统介绍熵在热力学中的地位，使学生先建立初步印象，之后在热量计算时再次提出可逆过程热量和熵的关系，使学生对熵产生似曾相识的感觉，为今后学习作一个铺垫，最后再通过克劳休斯等式正式提出熵。通过建立孤立系统dsiso≥0方程，一切自然界过程都是朝着使孤立系统熵增大方向进行，引出热力学第二定律实质是热力过程方向性问题，就此提出熵恰好是判别热力过程进行方向性的物理量。孤立系统熵之所以增大是因为实际过程均是不可逆过程，引出熵产概念，孤立系统熵增即熵产。孤立系统中出现不可逆循环或不可逆过程必然伴随作功能力损失即火用损，不可逆程度越大，火用损越大，所以熵产与工质必然有联系，从而导出火用损I=T0Sg，这样循序渐进，思路清晰，学生容易理解。

（二）增加新能源转换利用教学内容，激发学生学习兴趣

在《学习的革命》一书中曾提到，教师在传授知识的同时，应告诉学生该学科在今后工作中作用和利用价值。一门课能不能在讲课的第一天起就使学生产生浓厚学习兴趣和求知欲望，“绪论”这一部分的内容的讲解是十分重要的，大多数教师都将精力花费在课程主要内容上，而将绪论的重要性淡化了。而学生对学习一门课的积极性，除了与教师的讲授水平有直接关系外，更与学生的学习动机、兴趣等众多因素有关。笔者首先在绪论课中倾注了大量精力，第一节课首先让学生看教学录像，了解热工转换设备工作原理，让学生有一个初步的印象。之后在绪论中介绍自然界中已开发的各种能源太阳能、风能、水能、地热能、核能、燃料化学能、生物质能、海水潮汐能在国内和国内利用情况及对国家经济发展、社会进步、环境保护的重要作用，这些极易抓住学生的注意力，引起学生强烈兴趣。在人类利用能量中热能占85%，各种能量的损失皆以热能形式表现出来，然后马上提出工程热力学就是研究热能利用及转换规律的学科，介绍该学科发展历史以及它对于工科学生的重要性。在介绍发展史时主要讲述了在历史上对热力学有杰出贡献的科学家，如瓦特、克劳休斯、开尔文、卡诺，尤其是瓦特的生平史。再如讲声速和马赫数时介绍超音速飞机的发展及世界上第一个突破音速飞行的美国空军飞行员查而斯·耶格而的事迹，让学生了解科学家如何运用自己的智慧，披荆斩棘开出一条通向未知世界的征途，以及科学家发明创造道路中付出的极大努力，鼓励学生学习他们坚韧、一丝不苟、孜孜以求的人生态度和科学探索精神，这样不仅传授了知识，还起到了育人的教育作用。

20世纪下半叶，热力学无论在学科内容和应用范围上都有很大发展，产生了与现代技术密切相关的新内容，例如能量的直接转换正在成为研究热点，如小型半导体制冷、热泵的研究；余热的利用和节能技术；非平衡热力学的研究进展及在生物工程方面的应用以及与中医相结合的可能性；探讨用损失的热力学代价与经济代价之间的相互联系；新工质开发如新型环保制冷工质研究情况；动力机发展中燃气轮机新进展，蒸汽-燃气联合循环为何日趋受到重视；蒸汽动力循环超临界机组在国外应用情况及现阶段我国研究及利用情况；卡诺循环的拓宽和发展；核能、太阳能、风能、生物能等可再生能源在国内和国外的实际应用案例，新能源汽车动力循环，地源热泵循环，太阳能热水系统，建筑节能中的热力学问题等。

（三）理论联系实际，树立工程观点

工程被认为是一种较为重要的，富有创造性的行业，在这个行业里，人们应用学习、实践、实验获得的数学和自然科学知识，通过判断、开拓经济利用自然界各种原材料和能源的方法，以造福人类。可见对于工科学生来说培养工程应用观点是多么重要。我国大学生从高中考入大学之前，几乎没有接触过实际工程，如何在大学四年中通过技术基础课和专业课培养工程观点呢？工程热力学按整体可分为两部分，第一部分是基本原理，第二部分是基本原理在工程实际中的具体应用，如动力循环中内燃机、燃气轮机、蒸汽机和制冷循环等都有具体应用背景，课程的内容并不是设备结构，而是工质在热工设备中能量转换关系，要让学生掌握一种方法，即如何撇开次要因素和干扰因素，透过模糊不清的现象，抓住事物本质，将实际循环抽象为理想循环进行分析（如热效率分析等），之后再将理想循环修正后应用于实际循环，是一个从复杂到简单再到复杂的过程，进而延伸和扩展去解决问题。再比如学习气体和蒸汽流动，将喷管作为工程应用实例讲解，喷管在航空发动机、工业动力、化工、制冷、气力输运等方面有广泛应用，因为流动为定熵过程，前面已经讲解，许多内容可一带而过，避免重复，主要介绍新知识。如一个洲际导弹在进入大气层时，导弹头部滞止温度和压力计算绝热滞止状态， 从而引出滞止状态，很新颖。讲解相对湿度、露点温度概念时，常举一些生活中例子，如为什么阴雨天晒衣服不容易干，结露、结霜等自然现象，建筑中房间内墙冬天温度为什么一定要高于露点温度，空气的调温调湿等。通过与工程和生活的紧密相连，可使学生更加深刻地理解热力学理论，并增加了学习趣味性和主观能动性，使课堂气氛活跃生动，对于教师来说，更可使教学达到教师少教，学生主动多学的目的。

（四）激发学生自主学习的主动性

随着课程学时的减少，有一部分内容必然要通过学生自学获得，对某些共性的原理、方法、数学推导不需要过多讲解，可留给学生自学；对于每一章出现的重复性内容，如压气机不同热力过程技术功计算公式、水蒸气流经喷管计算、内燃机定压加热理想循环、湿空气属于理想气体混合物，其折合气体常数、分子量、密度、湿空气比容计算公式等都可以作为自学内容。但自学内容并不是不重要。为了提高自学效果，要结合具体内容，布置思考题和作业，使学生在完成作业同时加深对知识的理解，这既是促进学生自学的必要措施，又是教师掌握学生自学情况的手段，并且自学内容也应适当作为考试内容，这样才使自学不流于形式。

教师工作绝不是简单的逢山开路，也不是简单的“熟练工”，是一个系统工程，是一门艺术，是富有挑战性的工作，需经过多年的积累，做到“常讲常新”。

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[责任编辑：刘凤华]

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