热工学课程难点内容教学方式探讨

摘 要 针对热工学课程学习中学生普遍反映感到困难最多的状态参数概念抽象、图表复杂、知识枯燥等难题，以状态参数“熵”“水蒸气的焓熵图”等内容为例，进行课程教学方式探讨，以期补充完善热工学课程教学方法，激发学生的学习兴趣和热情，对活学活用热工学的基本理论知识以及对后续学好本专业起着至关重要的作用。

关键词 热工学；熵；焓-熵图；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）23-0076-02

1 引言

食品冷链物流（Food Cold Chain Logistics）是上海海洋大学食品科学与工程专业食品物流工程方向的专业特色。它是以制冷设施与技术作为手段，以食品冷冻冷藏工艺学作为基础的一项低温物流系统工程，过程要求易腐食品在生产、运输、贮藏、销售直至消费前的一系列环节中始终维持在食品规定的低温环境下，以减少食品损耗，保证食品质量。它是随着制冷技术的发展而建立起来的，热工学中有关热能和机械能之间相互转换的基本理论和热量传递规律，正是低温冷链物流实践应用的理论基础，而活学活用热工学的基本理论知识，对学好本专业起着至关重要的作用。

热工学是一门研究热能利用的基本原理和规律，以提高热能利用率为主要目的的课程，包括工程热力学、传热学和热工基础的应用等部分内容。其中，工程热力学和传热学构成热工学的理论基础，热能转换的基本概念、热力学两大基本定律、理想气体和蒸汽的热力性质与热力过程以及湿空气等内容属于工程热力学部分，而热传导、热对流和热辐射等3种热量传递方式的基本理论（包括导热的基本定律及稳态和非稳态导热、对流传热和辐射传热等）是传热学部分主要讲述的内容。目的是使学生掌握热能转换和利用的基本原理和规律，能够对有关热科学问题进行基本计算训练和获得解决相关工程问题的基本能力[1]。但是，学生在学习过程中反映感到困难最多的就是状态参数概念抽象、图表复杂、知识枯燥等。为此，笔者在教学实践中有以下几点体会和认识。

2 多角度分层次学习抽象概念——以熵为例

工程热力学中常用的状态参数有6个：压力、比体积、温度、熵、热力学能和焓。其中，熵的概念学生最难理解。熵是热力学第二定律导出的重要概念，在热学中得到广泛应用，近年来在经济学、生态学等其他学科中也逐渐得到重视和广泛应用[2]。

介绍“熵”这个字的历史由来 我国最初是没有“熵”这个字的，它是由Entropy这个单词根据意译而来的。1923年，德国物理学家普朗克来我国讲学时，我国物理学家胡刚复做翻译，根据Entropy的定义是热量除以温度所得到的商值，而且这个概念与火有关，于是就在商上另加火字旁，创造了一个新字——“熵”。

介绍熵这个概念的历史由来 熵的概念由德国物理学家鲁道夫·克劳修斯在1850年首次提出，用熵来表示能量分布在空间中的均匀程度，越集中的能量空间分布，系统的熵值就越小；而越均匀的能量分布，系统的熵值就越大，当能量完全均匀分布的系统，熵就达到最大值。

介绍熵的定义 熵是描述所有不可逆过程共同特性的热力学状态参数，它是不能再被转化做功的能量的量度。可逆过程中，δQ/T的积分值和热力过程的路径无关，因此可以断定可逆过程的δQ/T一定是某一状态参数的恰当微分，所以取名为熵（S），它的定义式为dS=δQ/T。

介绍熵的特点

1）熵是状态参数，同状态函数焓和热力学能一样，一般只计算状态参数的变化；

2）计算不可逆过程的熵变时，其值仅取决于给定的状态，与达到状态的过程无关；

3）δQ=TdS的量纲是能量，T是强度量参数，Q、S是广延量参数，计算时必须考虑体系的质量。

介绍熵的物理意义 可分为宏观和微观两个方面：从微观上讲，熵反映的是系统的无序度或混乱度；从宏观上

讲，一个热力系熵的变化，可以表示为熵流和熵产之和，对应选定的环境状态，系统熵的变化是系统无效能变化的量度。

重点介绍熵的本质 熵是一个反映自发过程不可逆性的状态参数，自然发展的情况下，系统各部分能量差总是倾向于均衡。在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵值增大，不能减少，极限的情况（可逆过程）保持不变，即孤立系的熵增原理[2]。摩擦生熱就是使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加；让一个热物体同一个冷物体相接触，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。热量由高温物体传至低温物体，整个系统由高温物体和低温物体组成，高温物体的熵减少，低温物体的熵增加，熵总变化是它们的代数和，是增加的；每一次能量从一个较高水平（比如河水下落时，最初处于较高位置）转化到一个较低水平（比如河水落到坝底，处于较低位置），都意味着下一次能再做功的能力减少了。

介绍熵在其他学科上的应用 熵是热力学第二定律导出的重要概念，它不但在热学中得到广泛应用，而且在生命科学、哲学、经济学、系统科学、生态学、历史学、文学、艺术、语言学、宗教学等社会各个领域的应用也得到很多学者的日益重视。例如：探索将生态系统熵量化为能量输出或输入与经济收入或支出之比；以货币流为参数来计算城镇生态系统的熵变；以熵与焓的关系探讨地球的熵增；生物与环境综合为一个生态系统，生命体时刻与外界进行能量、物质、信息的交换，是一个开放的系统，任何真实的系统都不能脱离环境而存在，可以用“生命熵”来独立定义，用熵来分析一个生命体生长、发育、衰老、死亡的全过程。自然界所有的生物利用和环境的能量交换趋于多样、有序、熵减小，最终被环境选择，得以进化。

3 结合应用实例学习图表知识——以焓熵图为例

水蒸气的热力性质图表是热力过程计算中的重要依据。但是对这一部分内容，学生普遍反映图表太复杂，图中等参数线太多，表中数据参数太多，水和水蒸气状态又十分复杂，应用起来很不方便。

介绍水和水蒸气图表实际应用中的优缺点 水和水蒸气的热力性质表优点是数值的准确度高，缺点是数据不连续，需要用内插法计算近似值，使得查表工作十分烦琐。水和水蒸气的热力性质图的优点是查取方便，热力过程分析更直观、清晰和方便；缺点是数值误差较大，在工程应用容许范围内。优先选用的是水和水蒸气的热力性质图，其中，温—熵图（T-s图）和压—容图（p-v图）主要是对蒸汽热力过程进行定性分析使用，而焓—熵图（h-s图）主要用作对蒸汽热力过程的功量和热量进行定量计算，应用更加广泛。

介绍焓—熵图的基本特点 温熵图中以焓为纵坐标、以熵为横坐标，上下界线分别为饱和水和饱和蒸汽线，交点为临界点，饱和水的左侧区域为过冷水区，饱和蒸汽的右侧区域为过热蒸汽区，饱和水和饱和蒸汽线下方为湿蒸汽区域。此外，图中还包括等干度线簇、等压线簇、等容线簇和等温线簇等。在湿蒸汽区，等压线与等温线重合，是一组斜率不同的直线；在过热蒸汽区，等压线与等温线不同，等压线为向上倾斜的曲线，而等温线是弯曲然后趋于平坦；等容线比等压线在向上延伸方向上更抖些，为方便区别，实用的h-s图中，定容线常用红线或虚线标出。然后，让每位学生画出焓—熵图的草图，并标出上下界线、临界点、三种状态及等干度线簇、等容线簇、等压线簇和等温线簇等，使学生掌握焓熵图的基本要点。

结合应用实例练习查图方法和步骤 学生掌握焓熵图的基本曲线及分布规律后，结合实例用焓熵图查水蒸气的参数，并进一步在图中分析水蒸气的基本热力过程。例如：给出水的温度和焓值，查图求熵值；给出压力和温度，求焓值和熵值等。这就使学生能熟练通过查焓—熵图中定温线和定焓线或者定压线和定温线，直接确定水的状态和各参数的值。

同时，为了加深对比，之后又用同样的条件，查饱和水和饱和水蒸气热力性质表和未饱和水与过热蒸汽热力性质表进行求解，使学生通过查图和表，明显感觉到水和水蒸气的热力性质表的缺點：数据不连续，需要用内插法计算近似值，使得查表工作十分烦琐。而水和水蒸气的热力性质图就克服了此缺点，查取方便，热力过程分析更直观、清晰和方便，但缺点是需要个体肉眼观察，所以数值误差较大。水和水蒸气的热力性质表的优点是数值的准确度较高。

通过应用实例，使学生深刻认识到水和水蒸气的热力性质图表的优缺点和使用场合，在工程应用容许范围内，优先选用的是水和水蒸气的热力性质图，让学生在具体的案例中熟悉并牢固掌握本课程的理论知识要点，培养学生活学活用热工学的基本理论的能力。

4 结束语

教学没有固定的模式，一个教师不仅要有渊博的知识、丰富的实践经验，还要积极思考，探讨能让学生容易接受的教学方法。教师除了从事教学以外，一定要参加科研，把握相关的学科知识前沿以丰富自己的学识，提高自己的业务水平，这是搞好教学工作的重要前提。教学中注意采用多种合理教学手段和方法，在课堂上做到深入浅出，激发学生的学习兴趣和热情，使学生加深对课程的内容理解。同时应广泛借鉴国内外先进的教学经验，勇于尝试改革、积累经验，培养学生工程实践和创新意识，这是教学工作者值得不断探索的努力方向。

参考文献

[1]何雅玲，陶文铨.对我国热工基础课程发展的一些思考[J].中国大学教学，2007（3）：12-15.

[2]傅秦生.热工基础与应用[M].北京：机械工业出版社，2015.

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