实例教学在《化工热力学》课程中的应用

田会娟

(唐山学院 环境与化学工程系，河北 唐山 063000)

实例教学在《化工热力学》课程中的应用

田会娟

(唐山学院 环境与化学工程系，河北 唐山 063000)

化工热力学作为化工本科生的专业核心课程，存在抽象概念多，公式繁琐等问题，针对这些问题提出了以学生为中心的实例教学。在教学过程中引入生活、工程和科研等热力学相关实例，可以激发学生的学习兴趣，提高学生实际应用能力，培养学生科学的思维方式，实现提高教学质量和培养应用型人才的目标。

化工热力学；实例教学；教学质量；学习兴趣；应用能力；思维方式

化工热力学是国内外化学工程与工艺专业的核心课程[1-2]，是化工原理、分离工程、化学反应工程等课程的基础，是化学工程专业的基石，但是该课程概念多且抽象，公式繁琐且枯燥，是公认的难教和难学的课程[3]。在有限的时间里，使学生掌握到化工热力学的原理、概念、公式及方法，并能熟练应用到实际生产中，是化工热力学的教学目的。化工热力学教学改革的措施多种多样，都取得了一定的效果。天津大学《化工热力学》教学组提出了“以应用为中心”的教学法[4]，该教学方法在可以提高学生的学习积极性的同时，又可以使学生对基本理论有更加深入的理解。扬州大学的张存等[5]认为教学过程中强调和突出化工热力学在课程内容、课程体系、课程目标三个层面上的桥梁作用， 引导学生掌握本课程的基本原理和应用方法，学会将热力学原理和模型应用到具体实践中，进而能够运用化工热力学的理论知识分析、解决化工生产和设计中有关实际问题。中国矿业大学张军等[6]在热力学教学中引入有突出代表性的实例，使学生的知识面得到了极大的拓宽，上课的积极性与认真程度得到了明显提高。南京工业大学的冯新等[7]认为教学过程中引入“从生活中来到生产中去”与热力学原理密切相关的实例，可以激发学生的兴趣，使他们体会到化工热力学的魅力。笔者通过亲身教学经验，并参考国内外同行的研究成果，认为培养应用型人才的地方本科院校应的化工热力学课程教学改革应以学生为中心，通过引入与化工热力学密切相关的生活、科研和生产中的实例，将复杂的公式和抽象的理论与应用实例联系起来，激发学生的学习兴趣，使学生真正认识到化工热力学的重要和巧妙。

1 引入生活实例，激发学生的学习兴趣

日常生活中，可以遇到许多与热力学相关的知识，从与衣食住行等日常生活息息相关的实例中提出问题，以激发学生的学习兴趣。在“制冷循环”章节，要讲授蒸汽压缩这冷循环、吸收式制冷循环、热管等制冷循环方式。讲授蒸汽压缩制冷循环之前，首先引入同学们在生活中常见和常用的空调和冰箱，二者采用的都是空气压缩制冷循环。请同学们思考：“冰箱的工作原理与空调是否相同？夏天打开冰箱门是否能当空调？空调为什么夏天降低房间温度而冬天提高房间温度？”同学们经过思考和讨论之后，结合前面章节讲过的 “热力学图表”和“热力学第一定律及其应用”，讲授蒸汽压缩制冷的工作原理，空调与冰箱的工作原理相似，但是电冰箱放出的热是在室内，而空调器则将热量排出室外，因此空调器能够使室内降温，而冰箱则不行。这样不仅可以引起学生的学习兴趣，还可以加深对基本原理、图表和公式的理解。

讲授“热管”时，让同学们意识到日常生活中笔记本电脑的散热和青藏高原铁路冻土路基稳定等问题都采用了“热管”技术。笔记本电脑的热管中装有液体，在蒸发段利用蒸发吸热原理使液体变为蒸汽把热量移走，热管的另一端为冷凝段，采用风扇及散热片把热量吹到外面，当蒸汽热量被吹走后，又会冷凝为液体，在吸液芯毛细抽吸力作用下回到蒸发段，周而复始完成散热的作用[8]。青藏铁路建设中最难解决的问题就是多年冻土[9]，将低温热管安装在冻土地区，置于冻土中的部分为蒸发器，暴露在地面且安装有散热片的部分为冷凝器。在寒冷的季节，空气温度低于冻土的温度，即冷凝器温度低于蒸发器的温度时，蒸发器中的液体吸收周围冻土中的热量，蒸汽上升至冷凝段，与较冷的冷凝器管壁接触，放出汽化潜热，再通过冷凝器的散热片将热量传递到空气中。同时蒸汽冷凝成液体，在重力的作用下沿管壁回流至蒸发段。如此循环往复，将土体中的热量传递至空气中。在温暖季节，由于空气温度高于冻土体温度，热管中的液体蒸发后形成的蒸汽到达冷凝器后不能冷凝，液体停止蒸发，热管停止工作，因此空气中的热量不能通过热管传至冻土中，从而可保持冻土良好的冻结状态。

2 引入工程实例，提高学生实际应用能力

对于应用型本科院校，化学工程与工艺专业的学生本科毕业后大部分化工相关的单位，在化工热力学课程中引入工程实例，提高学生解决实际工程问题的能力。化工热力学的根本任务是利用热力学两大定律给出物质和能量的利用极限，降低生产消耗，节约能源。在讲授“化工能量分析”章节时，给出节能减排的工程实例。例如：上海市氯碱化工公司华胜厂蒸汽减压系统合同能源管理项目，针对蒸汽减压系统中存在的问题，实施节能改造的方案。项目于2009 年4月建设实施，通过半年的实际运行，使氯碱化工公司华胜厂的节能项目取得了显著的节能效果，年节能量达12796.02t 蒸汽，折合标煤1645.6t，年平均节能收益65.1 万元，6 年收回投资[10]。

“相平衡”章节中，对于二元气液平衡相图存在逆向冷凝和逆向蒸发，是烃类混合物在特定压力、温度和组成下所产生的一类特殊相平衡现象，在石油开采中利用逆向现象可以优化生产。地底层温度为100℃，压力达到几十MPa。温度变化不大，压力常起决定因素。原油开采过程，可看作等温减压过程。为了单位时间油品的产量最大，油品以液相采出最为经济。在上图的G→M线上，J点的液相量最大。因此控制出口压力为J点压力，可保证生产量最大。实际生产中，老油井往往采用往井中注水的办法，使其处于逆向凝聚区，提高油产量[9]。

图1 逆向冷凝和逆向蒸发示意图[11]

3 引入科研实例，培养学生的科学思维方式

对于注重应用的地方本科院校，虽然化工专业的学生毕业后大部分要去与化工相关的单位工作，但是本科院校培养的并不是技术工，而是具有科学研究精神的工程师。此外，也有部分学生选择考取研究生进行继续深造。因此，《化工热力学》课程还需要适当的引入前沿的科研实例，刺激学生思考、探索和研究。

在讲授“流体的p-V-T关系”同时，除了引入生活实例以外，还应当介绍前沿课题“超临界萃取技术”。超临界流体萃取技术是一种新型高效的分离技术，具有萃取能力强、有效成分不被破坏、无溶剂残留等优点。被广泛应用于化工、医药、食品、烟草等行业。例如：从茶叶中提取茶多酚[12]。茶叶是我国丰富的天然植物资源，富含具有保健药效功能的茶多酚。茶多酚的提取的传统方法包括：溶剂提取法、金属离子沉淀法、超声波浸提法等。超临界萃取法工艺过程简单，产品纯度高，所采用的溶剂为二氧化碳，无毒无污染。讲完实例之后，让学生在图书馆查阅关于超临界流体的相关知识，讨论对超临界流体的特点、原理、工艺和应用的认识。对一部分学生可进行更深层层次的引导，指导他们参加大学生创新实验。这样不仅让学生觉得学有所用，还能提高学生的查阅资料、总结力、实验等能力，为学生今后的工作或考研深造打下坚实基础。

总之，通过在化工热力学讲授过程中，引入与日常生活相关的实例，调动了学生的积极性，激发了学生的学习兴趣；引入热力学相关的工程实例，锻炼了学生的实际应用能力，培养学生的节能减排意识；引入前沿的科研课题，培养学生的探索精神，提高学生的查阅资料、总结力、实验等能力，为学生今后的工作或考研深造打下坚实基础。

[1] 常贺英,马沛生.论化工热力学在化工类课程体系中的核心作用[J].化工高等教育,2005,22(4):28-30.

[2] 刘金强,邓冬生.提高化工热力学绪论课教学质量的实践[J].山东化工,2012,41(8):100-102.

[3] 冯 新,陆小华.以学生为本的化工热力学课程教学改革[J].化工高等教育,2006,23(4):30-34.

[4] 夏淑倩,马沛生,陈明鸣,等.让应用实例使《化工热力学》教学更加生动[J].化学工业与工程,2005,22(S1):98-99.

[5] 张 存.由教学实践充分认识化工热力学的桥梁作用[J].化工高等教育,2011,28(3):67-70.

[6] 张 军,谢 松,张子伟,等.案例教学在化工热力学中的应用[J].新课程研究(中旬刊),2012(8):63-64.

[7] 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,2009,26(1):42-45,66.

[8] 梁 浩,刘惠茹,王春花.《化工热力学》教学实践与尝试[J].广东化工,2010,37(1):157,174.

[9] 冯 新,宣爱国,周彩荣,等.化工热力学[M].北京:化学工业出版社,2013.

[10] 曹莉萍,魏玉剑,王立贵,等.合同能源管理模式的应用及利益相关者分析—以氯碱化工公司华胜厂蒸汽减压系统节能改造项目为例[J].上海节能,2012(1):11-15.

[11] 罗明辉,陆恩锡.逆向冷凝和逆向气化[J].化学工程,2010,38(6):99-102.

[12] 王朝瑾,马红青,陈温娴.超临界萃取茶叶中茶多酚的提取与应用[J].分析科学学报,2009,25(3):281-284.

(本文文献格式：田会娟.实例教学在《化工热力学》课程中的应用[J].山东化工,2017,46(11):164-165.)

Application of Example Teaching in Chemical Engineering Thermodynamics

TianHuijuan

(Department of Environmental and Chemical Engineering,Tangshan University,Tangshan 063000,China)

As a core course for undergraduates of chemical engineering, chemical engineering thermodynamics has many problems, such as many abstract concepts and complicated formulas. In response to these questions,an example teaching with students as the center is put forward. The introduction of examples about life, engineering and scientific research in the process of teaching can stimulate students' learning interest,improve students' practical ability and cultivate students' scientific thinking. It can achieve the goal of the improving teaching quality and cultivating applied talents.

chemical engineering thermodynamics; example teaching; teaching quality; learning interest; application ability; thinking mode

2017-05-13

田会娟(1982—)，女，河北人，讲师，博士，从事化工材料相关的科研和教学研究。

G642

B

1008-021X(2017)11-0164-02