面向应用的化工热力学教学改革与实践

冯 剑，薛连海，冯建华

（滁州学院 材料与化学工程学院，安徽 滁州239012）

化工热力学是化学工程与工艺专业的重要基础课，用来解决化工过程的能量及能量利用率，相平衡体系组成、温度和压力间的关系等问题。它是后续化工原理和化工分离工程等课程的基础，有重要的理论和应用价值。在热力学第一和第二定律基础上发展起来的热力学，由于其理论框架具有高度简洁性、抽象性和严密的逻辑性，给教与学带来很大困难。本科扩招期间升格的新建本科院校尤为突出。新建本科院校的化工热力学教学与传统热力学教学有一定区别，在热力学基本理论方面要求有所降低，但在热力学应用技能方面有所加强，同时也不再需要介绍化工热力学研究性的内容。滁州学院材料与化学工程学院的化工热力学课程最早从2006级应用化学专业开设，目前已面向四届应用化学和化学工程与工艺专业320名本科生开展了教学工作。在教学过程中，我们将化工热力学应用作为教学重点，在教学内容、教学方法和考核方式等方面进行了探索和实践。

1 教学内容

热力学第一定律引入热力学能（U）的概念，给出包含热的能量平衡方程。热力学第二定律引入熵（S）的概念，给出描述过程可逆与否的克劳修斯不等式。热力学第零定律是给出温度（T）的严格定义使得热力学理论更加完备。热力学第三定律给出熵的参考点（或零点）定义，从而使得计算熵绝对值成为可能。为了解决问题方便，引入不同系统，进而引入了焓（H）、亥姆霍兹自由能（A）、吉布斯自由能（G）等状态量的定义，以及一些辅助量和参数，如热容（Cp、Cv）、逸度（f）、活度系数（Y）、气相组成（y）和液相组成（x）等。热力学给出了描述状态量变化关系的一系列（微分）方程，其核心是描述不同能量函数（U、H、A和G等）变化的热力学基本方程。所有这些构成了严密的“热力学原理”。在热力学原理中，这些量的变化关系不与具体的物质相关而具有普遍意义，因而热力学理论又称之为唯象理论。热力学原理只表述了状态量间的变化关系，无法计算出针对具体物质某热力学过程的状态量变化值。为了解决实际问题，必须针对实际系统提供相关状态量间的变化关系，尤其是容易测定量，如p、V和T等量间的变化关系。它一般需要对研究对象进行一系列实验测定，然后利用这些变化数据绘制热力学图表（如P-T-K图），用于相应系统的近似计算。更方便的做法是利用这些数据回归出特定的数学表达式，如状态方程（PVT方程）。这种针对不同研究对象，获得包含具体物质物性参数的数学方程就是所谓的“热力学模型”。热力学模型还包括解决热力学汽液平衡、液液平衡的活度系数模型，纯物质的热容方程、饱和蒸汽压方程等。有了具体物质的热力学模型，利用热力学原理就可以获得某化工过程的状态量变化值或参数。这就是所谓的“应用”。整个热力学可以划分为“热力学原理”、“热力学模型”和“应用”三个部分，新建本科院校的化工热力学教学更侧重于“应用”。

基础化工热力学教材内容大致相同。面向应用型的化工热力学基本原理部分主要是介绍单组分流体热力学性质、热力学基本定律、均相混合体系热力学性质、相平衡热力学以及化学反应平衡等[1]。教学重点是强调基本概念的理解、内在的逻辑联系以及热力学原理的应用范围等。尽管对于各种计算公式的推导有助于掌握热力学理论，但也容易挫伤学生的学习兴趣。因此在教学过程中避免介绍过多的推导过程，只要介绍推导思路即可。热力学模型部分主要有两个方面知识，一个是流体的PVT关系，另一个是活度系数模型。构建适用面更广、更有效的热力学模型是化工热力学的重要研究领域，对于研究型大学这方面的知识介绍也是教学重点之一[2]。不过基础化工热力学中介绍的模型主要是一些经验和半经验模型，彼此间也没有太多联系。对于应用型化工热力学教学，这部分可以简单带过。只要求学生了解几种主要模型，及使用条件即可。化工热力学有广泛应用场合，不同的化工热力学教材，由于作者兴趣不同包括很多应用内容[3-4]。然而，我们在教学中发现，讲解过多的应用领域，并不能加深学生对热力学基础知识和基本技能的掌握。相反过多没有理解和掌握的知识的累积，更加降低学生的学习兴趣。为此，只将应用领域集中于两个常规部分，第一个就是化工过程的能量分析，特别是蒸汽动力循环和制冷循环等几个典型过程的热力学分析。这部分内容中的理想功和损失功、有效能和无效能对于学生来说完全是全新概念，熟练掌握这些量的计算方法，对于学生来说有些困难。对于以应用为目标的化工人才，这方面的计算未来未必都会用得上。这方面知识的重点是要学生理解和掌握它们是在热力学第二定律基础上的能量分析，得出的重要结论是一个过程不可逆程度越大，能量利用率就越低，从而掌握合理用能原则，为节能减排方面的应用提供指导性常识。这部分应用的教学重点是流动体系的能量衡算。第二个方面内容就是相平衡计算问题，核心是理解和掌握汽液和液液平衡计算方法。事实上，相平衡计算一般都需要借助于计算机技术。哪怕是对于给定某二元混合体系的汽液平衡计算，学生完成的困难都较大。这部分的教学内容主要是能够熟练使用吉布斯相律进行分析、能够列出待求量的计算方程、烃类系统的K值法等。

2 教学方法

将化工热力学基本知识和技能有效地传授给学生并不容易。很多教师在这方面进行了积极探索[5]。在教学工作中我们发现有三点较为有效。一是实例教学[6]。这里说的实例教学倒不一定是具体的工程实例，一开始就列举很实用的例子相反会使部分学生产生恐惧心理，主要是由于学生在物理化学课程中遇到的都是理想化的实例，缺乏这方面的锻炼。这里所说的实例教学是一开始不必引入一堆概念进而演绎出一堆理论，而是先从一个具体的实例（如课本上的例题）出发给出求解方法，进而引出概念和理论的方法。如在介绍汽液平衡计算时，先从一个二元系开始，使用吉布斯相律分析，进而列出汽相或液相组成关系式等，然后在此基础上再引出普遍化的计算方法。二是注意与物理化学的衔接。物理化学主要处理理想的封闭系统，而化工热力学处理的多是非理想的开放系统。在化工热力学教学中可以对物理化学中学过的知识进行简单回顾。对于从理想到非理性、封闭到开放系统转化时热力学原理的扩展给予循序渐进的介绍，降低学生学习难度。如对前面列举的二元系汽液平衡计算例子，可以在介绍时将液体看作理想溶液、气体看作理想气体。这个问题的计算方法在一般的物理化学教材中都给予了较充分地介绍。进而将液体和气体分别看作非理想溶液和非理性气体，这样就过渡到化工热力学上来了。在讲解了基础知识和基本概念后，还要列举更多的典型实例降低学生解决实际问题的困难[7]。三是多媒体教学。对于公式推导过多的课程多媒体教学备受争议。应用型化工热力学教学不再将公式推导作为重点，而对于实际化工过程的图片表示，以及采用计算技术解决化工热力学问题等，使得该课程更适合利用计算机进行辅助教学[8]。尤其是在使用化工过程模拟软件解决化工热力学问题对于应用型人才培养更具实用价值。这方面的软件很多，典型如 Aspen Plus、ChemCAD、Pro/II等。我们在化工热力学教学中使用ChemCAD来解决一些具体问题[9]。选择该软件的理由是小巧和简单，特别适合于教学。如在汽液平衡计算例子中，只要利用ChemCAD，添加一个闪蒸罐、进料和汽液产品，并用三个流连接示。然后确定工程单位、添加组成、选择热力学模型、设置进料物流的性质就可以计算出汽液两相物流信息。液液平衡可以使用液液萃取器、液固平衡可以使用结晶器来完成。对于纯气体或混合气体的PVT及其它热力学性质计算可通过添加压缩机或膨胀机采用类似的方法完成。

3 考核方式

课程考核是评价教学效果的重要手段，不同的考核形式对于学生知识掌握和能力培养有重要的引导作用。本课程的最终成绩由考勤、练习、考试和软件应用（面试）等多个部分组成。考勤保证课堂教学秩序，练习是掌握热力学基础知识、基本理论和技能的重要手段。考虑到化工热力学计算复杂，有些需要进行迭代计算。鼓励学生使用Excel等软件求解习题，并鼓励学生提交电子练习。对于提交电子练习的学生在平时成绩方面给予适当加分。作为理论性较强的课程，考试是促使学生努力学习的必要手段。该课程考试主要考核基础知识、基本概念及计算能力的掌握。在软件应用方面，利用ChemCAD甚至自行编程解决具体的相平衡问题或一个单元操作的能量分析不是必须的，而是作为加分的自选内容，供有兴趣的同学选择。凡是提交该部分作业的同学都有可能接受面试来检查抄袭现象。

4 结语

以培养应用型人才为目的的化工热力学教学有着很大不同。本文反映了这方面的较为初步的探索与实践经验。教学内容关注热力学基本概念的掌握、基本理论的逻辑联系及应用场合。侧重流动体系的能量平衡计算和相平衡计算。教学方法方面注意与物理化学衔接，尽量以实例组织教学；充分利用多媒体教学，将现代计算技术引入化工热力学教学。考核方式随教学内容和教学目的的变化作出相应调整，对计算机辅助技术的应用更加关注。

[1]马沛生，李永红.化工热力学（通用型）[M].2版.北京:化学工业出版社，2009.

[2]陆小华，冯新，吉远辉，等.迎接化工热力学的第二个春天[J].化工高等教育，2008(3):19-21.

[3]陈钟秀，顾飞燕，胡望明.化工热力学[M].3版.北京:化学工业出版社，2012.

[4]陈新志，蔡振云，胡望明.化工热力学[M].3版.北京:化学工业出版社，2009.

[5]李兴扬，唐定兴，沈凤翠，等.化工热力学教学改革与体验[J].化工高等教育，2011(3):71-73.

[6]冯新，陆小华，吉远辉，等.化工热力学中从生活中来到生产中去的实例[J].化工高等教育，2009(1):42-45，46.

[7]Nicholas P.Chopey.化工计算手册[M].3版，朱开宏，译.北京:中国石化出版社，2005.

[8]冯剑，葛秀涛，薛连海，等.VBA在化工热力学多媒体教学中的应用[J].滁州学院学报，2010，12(5):75-77.

[9]汪申，等.ChemCAD典型应用实例：上[M].北京:化学工业出版社，2006.