类比法在《化工热力学》教学中的应用

2010-11-02李兴扬唐定兴沈凤翠胡章文

滁州学院学报 2010年5期

关键词：状态方程活度热力学

李兴扬，唐定兴，沈凤翠，胡章文

（安徽工程大学生物与化学工程学院，安徽芜湖241000）

类比法在《化工热力学》教学中的应用

李兴扬，唐定兴，沈凤翠，胡章文

（安徽工程大学生物与化学工程学院，安徽芜湖241000）

结合化工热力学课程特点及其现状，讨论了类比法在立方型状态方程、偏离函数、偏摩尔性质和活度系数这些教学内容中的应用情况；并介绍了在实验教学、考核方式和精品课程建设方面取得的成果。

化工热力学；类比法；教学改革；实验教学

《化工热力学》是化学工程学的一个重要分支，是化工类专业必修的一门重要的专业主干课程。它是从化学工程的角度分析并给出化工过程经历的实质性的变化，在原理和计算方法上指导各种化工过程的进行和优化。［1］它是化工过程研究、开发与设计的理论基础，它是一门理论性与应用性均较强的课程。既要解决化学问题，又要解决工程实践问题。［2］该课程与化学工程与工艺专业的许多其它课程有着十分密切的关系，［3］在专业课程体系中发挥着承上启下的作用。

《化工热力学》课程逻辑性、系统性强，要正确理解化工热力学所研究的内容之间不是孤立的，而是相互联系的，理清化工热力学的内容体系与结构层次，才能更好地理解和掌握课程内容及其实际应用。这就要求任课教师优化教学内容，调整和丰富授课方法，以调动学生的积极性，由注重基本理论、基础知识、基本技能的培养，转变为强调人才综合素质的提高、工程设计的训练和创新能力的培养，这也是我国化工教育改革的方向［4］。

1 化工热力学教学的现状和存在的问题

普遍认为《化工热力学》课程概念抽象、难懂、经验公式多、图表复杂、教学推导繁复，且课时少，不易用来分析实际问题，例如一个比较简单、具体的实际问题：对一个两组分理想溶液体系，已知总压p和一相组成x（y），求与之平衡的另一相组成y（x）和平衡温度T，也一般需要进行反复多次试差计算才能得到近似解，使学生觉得繁琐缺乏新鲜感，心里厌烦。教师在有限学时内很难讲透所有内容，学生很难在有限学时内理解、掌握其全部内容。基于以上问题，过去在《化工热力学》课程的讲授中往往采用“过细备课，精心安排，细心讲授”的方法，忽略了教学是以学生为主体的教与学双向互动的系统过程，更多注意的是以教师为输出主体的这种单向的流动过程，其结果是“教师准备的一桶水学生也仅仅喝到了一口水，而不是一杯水或是一桶水”，远没有达到预期的教学效果。［5］这种教学方式仍然是从理论至理论，热力学教师擅长于课堂理论教学，教授学生掌握基本概念和繁多的数学计算，学生缺乏感知认识，普遍感到枯燥无味，提不起学习兴趣。

2 在教学中应用类比法，让学生参与课堂教学

我们根据化工热力学课程特点，分析课程内容体系，讨论总结章节内容之间的联系，重新组织课堂教学内容，其中类比法教学是我们取得良好教学效果的方法之一。

2.1 类比法在立方型状态方程教学中的应用

教学中主要介绍的立方型状态方程有vdW方程、RK方程、SRK方程和PR方程，他们均含有两个模型参数a和b。利用上述方法详细介绍vdW方程模型参数的确定方法和过程，要求学生类比vdW方程模型参数的确定方法确定其它立方型状态方程模型参数。一方面让学生掌握了模型参数的确定方法，同时锻炼了学生的演算能力。

2.2 类比法在偏离函数教学中的应用

偏离函数是研究系统状态变化的重要概念之一，它使物性计算更方便和统一。借助偏离函数，均相封闭系统的热力学性质都可以由状态方程获得，这是非常有实际意义的。但首先要解决如何以p－V－T表示偏离函数的问题，这也是应重点讲授的教学内容。

在讲授以T，p为独立变量的偏离函数时，交代清楚为什么首先选择偏离吉氏函数呢，这因为热力学基本关系式dG＝－SdT＋Vdp中的变量也是T和P。由偏离函数的定义，在等温条件下有［dG＝Vdp］T，然后设计由参考态至研究态的G的变化过程，如图1。

图1 偏离吉氏函数的推导

再对不同途径进行积分计算，可得到由p－V－T表示的偏离吉氏函数的关系式。然后由出发，利用S＝－［∂G／∂T］p可求得熵的偏离函数，再根据吉氏函数的定义（G＝H－TS）可求得焓（H）的偏离函数，由焓和亥氏函数（A）的定义式可以求得热力学能（U）和亥氏函数的偏离函数。

对于以T，V为独立变量的偏离函数，我们采用类比的方法教学，让学生参照以T，p为独立变量的偏离函数的计算方法，自行推算各函数的偏离函数。可以帮助学生分析，应由A（T，V）→S→其它函数。

2.3 类比法在偏摩尔性质教学中的应用

表1 特殊的摩尔性质和偏摩尔性质

2.4 类比法在活度系数教学中的应用

活度系数（γi）是计算组分逸度的一种方法，在用状态方程＋γi法计算混合物汽－液平衡数据时发挥重要作用。活度系数可分为对称归一化的活度系数（γi）和不对称归一化的活度系数（γi＊），它们的主要区别在于选择的参考态不同，分别是以理想溶液和理想稀溶液为参考态。理想溶液符合Lewis－Randall规则——；而理想稀溶液符合Henry规则——。实际教学中γi和γi＊的性质是可以类比学习的。

3 其它方面的实践和经验

3.1 实施实验教学环节，加强学生实践能力的培养

实践教学是培养学生创新能力和探索意识的重要途径，它能促进学生创新能力、实践动手能力和人格个性的全面发展。目前，我们开设了二元汽液平衡数据测定实验，除测定必要的实验数据外，还要求学生根据实验计算各组分活度系数，再验证汽液平衡条件，从而达到了理论与实践的结合；三元系液—液平衡数据测定实验，让学生验证基本理论，并掌握热力学图表的使用等；还开设了化学吸收系统汽液平衡数据测定实验。对实验中遇到的问题老师及时解决，锻炼学生综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力，强化专业操作技能，同时培养学生的科研创新意识。

3.2 综合考核方式

考试是教学过程中的重要环节，对学生如何进行评价，考什么，怎样考，是教学过程的指挥棒。以期末一张考卷为准的考核方式已被认为不利于学生能力的培养。我们采用综合考试方式，将期末考试、课堂讨论、出勤和作业结合起来评判。考试的题目侧重于理解和应用，着重考核学生应用所学知识提出问题、分析问题和解答问题的能力。如试行少量考试题目由学生自己提出，学生感到很新鲜，也很有兴趣，激发学生主动学习、主动思考。用加权平均的方法计算学生总评成绩，其中期末考试，占总成绩的70%，平时学习占15%，包括出勤和作业完成情况，课堂讨论占15%。