“工程热力学”本科教材体系的设想与教学实践

摘要：提出了一个适用于本科教学的“工程热力学”课程新体系。该体系的主要思想是将“工程热力学”课程的内容按照功能分章节，将概念按照工质、系统、状态、过程和循环五部分归类。这样得到的教材主次分明、重点突出，便于编制计算机辅助教学软件，便于学生自学。该体系用于本科生的教学反映良好。

关键词：工程热力学；教学；体系

作者简介：侯少波（1964-），男，陕西凤翔人，广东海洋大学工程学院热能动力系，副教授；曾冬琪（1973-），女，广东湛江人，广东海洋大学工程学院，讲师。（广东 湛江 524006）

中图分类号：G642.3     文献标识码： A     文章编号：1007-0079（2011）05-0065-02

“工程热力学”课程是一门重要的专业基础课程。一般第四学期开设，是动力、建环类本科的第一门专业基础课。该课程主要内容由工质的性质、热力学第一定律、热力学第二定律及两大定律的应用等组成。然而，在这几个大内容之下却有众多的概念和公式，有的概念还比较抽象、难理解。

目前，高校中有相当一部分学生的学习主动性差、阅读能力差、课余用于消化和复习的时间比较少，同时，还有一部分学生的学习方法存在一定问题。加之教材不简明、主次不分明、重点不突出、不便于自学。这样一来，学生学习起来就感觉到费力、比较难学，学习的收益率也不高。有的学生甚至感到学习内容太多、比较零散。

本文就“工程热力学”课程体系问题进行探讨，以便重新组织教材内容，便于编制计算机辅助教学软件，便于学生自学。

一、“工程热力学”课程体系的设想思路

“工程热力学”课程概念众多，贯穿全书的主干内容是热力学第一定律、热力学第二定律，它们之间互相引用、关系密切、错综复杂。本文给出的体系设想思路是：（1）建立推导热力学第一定律能量方式所需要的概念。在该部分里，将概念按照工质、系统、状态、过程和循环五部分归类，突出“工程热力学”课程的整体性，明确指出“工程热力学”最关心的量是哪些，最终要解决什么问题，以便使学生的学习目标明确。（2）推导热力学第一定律能量方程式。（3）给出能量方程式中出现的△u、△h和以后要用到的△s的计算方法。（4）对理想气体基本的热力学过程进行详细讨论。（5）给出热力学一般关系。（6）给出有关水蒸汽的概念、图表以及状态参数的确定方法并对水蒸气热力过程进行讨论。（7）引入热力学第二定律。（8）湿空气。（9）气体的流动。（10）气体动力循环。（11）蒸汽动力循环。（12）制冷循环。（13）化学热力学。（14）溶液化学。在每一个部分中时时刻刻体现“工程应用”和条理性。

二、“工程热力学”课程体系内容框架设想

1.“工程热力学”基本知识

（1）工质。实际气体、理想气体、混合气体。

（2）系统。1）系统：系统、外界、边界、热源。2）闭口系统和开口系统。3）绝热系统。4）孤立系统。

（3）状态。1）状态：非平衡状态、平衡状态。2）状态参数：状态参数、状态参数特征、基本状态参数、广义力和广义位移参数、导出量。3）状态方程式：实际气体、理想气体。4）标准状态：标准状态、标米３。5）系统的储存能。

（4）过程。1）过程：实际过程、准静态过程、可逆过程。2）过程量：热量和示热图、功量和示功图、正负号规定。

（5）循环。循环、循环净功、正循环及其效率、逆循环及其性能系数。

2.热力学第一定律

（1）热力学第一定律。

（2）一般形式能量方程式。闭口系统能量方程式、混合问题、充气问题、放、漏气问题以及稳态流动能量方程式。其中，稳态流动能量方程式包括动力机械、压气机、换热器、喷管。

3.理想气体∆U、∆H、∆S的计算

（1）理想气体比热容。比热容、质量比热容、容积比热容、摩尔比热容、定压质量比热容和定容质量比热容、定值比热、平均比热、真实比热。

（2）理想气体的∆U、∆H、∆S计算（定值比热）。

（3）混合气体。分压力和分压定理，分容积和分容积定理，分数：质量分数（质量成份）、体积分数（容积成分）、摩尔分数（摩尔成分）、三者之间的关系，相对分子质量（折合分子量）M、Cp、Cv、R。

4.理想气体的基本热力过程

定容过程、定压过程、定温过程、定熵过程、多变过程、热力学基本过程的公式表、压气机。其中，压气机包括压气机的种类、压气机的工作原理、压气机的理论压气功、多级压缩及优点、余隙对排气量的影响。

5.水蒸汽

（1）汽化和凝结。汽化、凝结、蒸发、饱和状态、饱和压力、饱和温度、饱和蒸汽和饱和液体、沸腾、相变焓（汽化潜热）、干度X。

（2）水蒸汽的图、表。Ｐ－Ｖ图、Ｔ－Ｓ图、零点的规定、水蒸汽h-s图、相图（P-t图）、水蒸汽表。

（3）水蒸汽参数的计算。未饱和液体区、饱和液体区、过热区。

（4）水蒸汽的热力过程。定压加热过程、定熵膨胀过程。

6.热力学第二定律

（1）热力学第二定律的实质。实质、过程的方向性、过程的不可逆性、自发过程、非自发过程、非自发过程的实现条件。

（2）热力学第二定律的两种表述。开尔文说法和克劳修斯说法。

（3）卡诺循环和卡诺定理。

（4）克劳修斯关系式。

（5）熵的不等式。

（7）熵方程、熵产和熵流。

（7）熵产、火用损失的计算。

（8）熵增原理。

（9）热量的火用、热量的火用和火用损失。

（10）内能火用。

（11）焓火用。

7.热力学一般关系式

8.湿空气

9.气体的流动

10.燃气动力循环

11.蒸汽动力循环

12.制冷循环

13.化学热力学基础

三、“基本知识”部分说明

（1）在“基本知识”部分，将概念分为工质、系统、状态、过程和循环五大类，使学生学习完“工程热力学”后具有一个整体感，明确“工程热力学”最关心的量是哪些，“工程热力学”最终要解决什么问题，以便使学生明确学习目标。

（2）在“实际气体状态方程式”部分，列举一些实际气体状态方程式，提及查图表法和压缩因子法，使学生对实际气体状态参数的确定有全面了解。

（3）在“广义力和广义位移”部分引出“熵”，让学生知道“熵”是温度所对应的广义位移和“熵”的公式定义，以便让学生早了解“熵”，从而分散难点。

（4）在“状态参数”部分将压力、温度、比容、内能、焓和熵一起讲完，让学生对我们最关心的六个状态参数具有一个整体感。熵的提前讲可以使学生早点认识熵，并可以使得水蒸汽提前讲，让第一、二定律之间有较大的时间间隔。

（5）将实际过程、准静态过程和可逆过程放在一起对照着讲。使学生知道实际过程所经历的状态是一个非平衡状态，有磨擦，有温差传热。准静态过程进行的相当缓慢，以致所经历的状态是无限小的偏离平衡状态，有点磨擦，有点温差热。而可逆过程所经历的状态是一个平衡状态，无磨擦，无温差传热。从而使学生体会到可逆过程是理想化的过程。

（6）在“过程”部分要强调过程可以用函数表示，该函数是过程特征方程。

（7）在“过程量”部分将热量、容积功、压力功、技术功、轴功、流动功和可逆技术功一起讲，使学生对所有的过程量有个整体感。同时，让学生知道过程量的一般计算方法，即将过程特征方程代入积分。

（8）在本课程的开始要告诉学生实际问题是相当复杂的，“工程热力学”解决问题的思路是首先将问题理想化、简单化，然后再对误差大的进行修正。不能理想化的则要用非平衡热力学的方法来解决，相当复杂。

（9）在“循环”部分让学生知道计算循环净功、效率和性能系数的一般方法。工质的质量流量起着放大系数的作用。

四、其他部分说明

（1）在“热力学第一定律”部分，首先推导一般形式的能量方程，再分别对闭系、混合问题、充气问题、稳定流动问题进行简化。最后，再将稳定流动能量方程应用到压气机、汽轮机、换热器和管道。强调焓的重要性。首先让学生牢记系统与外界之间可以有功量、热量和物质的交换。物质流入或流出系统，随物质转移的能量有哪些。强调怎样才能写对能量方程，而不是应用。

（2）“理想气体∆U、∆H、∆S的计算”部分强调理想气体∆U、∆H、∆S的计算、应用。

（3）“理想气体的基本热力过程”部分强调理想气体过程简单循环的应用。

（4）“水蒸汽”部分加“水蒸汽状态参数的确定”，强调实际气体∆U、∆H、∆S计算、过程的应用。将“热力学第二定律”放在“水蒸汽”之后可以分散“工程热力学”的两个难点，并可以为讲“熵增原理的应用”等提供更丰富的内容。

（5）在“热力学第二定律”部分要强调第二定律的三个层次。即定性形式的热力学第二定律、有限范围的量化热力学第二定律（卡诺定理）、量化形式的热力学第二定律（孤立系统熵增原理）。

（6）在“热力学第二定律”的熵增原理部分，加孤立系统熵的计算方法，并总结熵的计算方法。本部分应多讲例题。

（7）在“热力学第二定律”的“热量的火用、火无、火用损失部分，告诉学生熵变化是热量的火无与环境温度的商，熵与火无成正比。强调熵产的计算、火用损失计算、热量火用失由高品位到低品位的损失。

（8）在“湿空气“部分要强调用公式计算湿空气状参数的方法，以便学生将来利用计算机进行电算。

五、实验效果

本人编写的“工程热力学”讲义，多年来应于非重点大学的多学时教学中，学生反映该课程不难学。学生应用该讲义考研究生，曾在2001年有20多人考上重点大学的记录，考生的成绩平均为87分，均位于重点院校的前几名，目前，这些学生许多都已博士毕业。

参考文献：

[1]廉乐明,等.工程热力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]王修彦.工程热力学[M].北京:机械工业出版社.2007.

[3]沈维道,童钧耕.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2001.

（责任编辑：李海静）

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