《工程热力学》课堂教学中节能减排意识的培养

赵炜+乔芬+吉恒松+王谦

摘 要：工程热力学是研究热能和机械能间相互转换规律的一门基础学科，是热能工程及相关学科的核心基础课程，学生通过学习明确本学科的研究方向和学习任务。针对能源的利用问题，在本课程的授课过程中，重点培养学生的节能减排意识，突出提高能源利用率和节能评价方法，树立工程观点在节能减排背景下本课程的教学内容及教学方法，为教学方法改革提供新思路。

关键词：工程热力学 节能减排 核心作用 意识培养

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（c）-0231-03

Abstract：Engineering thermodynamicsis an important elementary course about transformation rule between heat energy and mechanical energy and the core basic curriculums of thermal power engineering and related discipline. Then， the students can explicit the research direction and leaning task about this subject. In view of energy use， the students are the key core of energy conversion and emission reduction to focus on training. In the process of teaching， energy utilization and energy conversion evaluation methods are highlight enhanced. And the engineering viewpoint can be set up in the content of course and teaching method of engineering thermodynamics in the context of energy conservation and emission reduction. Finally， this study provides a new train of thought for teaching methods.

Key Words：Engineering Thermodynamics； Energy Conservation and Emission Reduction； Core Role； Cultivating Consciousness

能源是人类社会赖以生存和發展的重要物质，纵观人类的社会发展历程，人类文明的每次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用是推进世界经济和人类社会发展的重要因素。过去一百多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了大量的自然资源，尤其是能源。当今世界，温室效应的危害已显现，能源价格也疯涨且储量日趋减少[1]。显然，为了人类的可持续发展，节能减排是必须的，要将节能减排意识贯穿社会的各方面才能有更好的收效[2]。为了实现节能减排，我们可以采取“开源”和“节流”。“开源”指开发利用新能源，以减少化石燃料的使用。“节流”就是要减少损失，即在不改变使用效果的同时，减少耗能设备的能量使用。从原理和本质上来说，我们可以通过工程热力学的知识点实现这两方面，热力学是解决节能减排的最佳工具。因此，节能减排意识的培养应该作为工程热力学教学的基本目标。为了适应节能减排的发展需要，现对工程热力学的一些教学方法改革进行一些探讨。

1 节能减排与工程热力学的关系

工程热力学是能源与动力工程类专业的重要专业基础课，其研究对象是热能与其他形式能之间的相互转换关系，尤其是热与机械能之间的相互转换及其应用。本课程的基本目标是通过对热力系统进行分析研究，改进和完善其工作循环，提高热能的有效利用率及热功转换效率。而提高热能的利用率，就意味着，利用相同的热能的前提条件下，向环境排放的污染物量减少。可见，节能减排意识的培养应该作为工程热力学课程教学的基本目标。

工程热力学包括基本原理和基本理论在工程实际中的具体应用两大部分，而贯穿本课程教学的思想就是提高能量的利用率，这也构成了节能减排的理论基础。热力学第一定律从能量的数量守恒的角度解释了节能减排的基本原理，其是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。它阐述了热力系与外界交换的能量在数量上是守恒的关系。既然能量是守恒的，那为什么我们还要节约能源呢，这是因为，虽然能量是守恒的，但是有些能量是不便于被利用的，例如，物质的热力学能过程中耗散的能量。且我们目前所使用的煤、石油、天燃气是不可再生的，并不是取之不竭的，故要节约使用。但是从数量上来实现节约的目的还是远远不够的，这就要求合理用能，提高能的品质问题。

热力学第二定律从品质的角度阐述了节约一次能源的基本思路。它解决了与热现象有关的过程能够进行时的方向、条件及限度的问题。物质不灭，但质量在递减；能量虽守恒，但是品质在下降。我们不仅要在数量上实现节约，而且要尽可能的利用低品质的能源。任何能量交换必须同时满足热力学第一定律和第二定律，第二定律从方向性上弥补了第一定律的不考虑过程方向性的问题。第二定律是当代节能减排的重要基础，指出在相同的能源使用效果中，如何加强低品质能源的利用率，对各种工程问题具有重要的理论指导意义。

从工业生产过程来看，工科的学生应该具备合理使用能、节约用能的意识及掌握基本的技术，而工程热力学课程的内容就是合理使用能和节能理论中最根本与核心的部分。

2 节能减排意识在工程热力学教学中的培养endprint

为了实现培养学生节能减排的意识，在本课程的教学过程中，应该要重点突出以下5点。

2.1 在教学内容的设置上，突出提高能量利用率的思想

工程热力学的教学内容的主线是如何提高能量的利用率，其理论基础是热力学第一定律和第二定律。能量在传递和转换的过程中，虽然数量是守恒的，但是其质量在不断衰退。节能不仅要减少能量数量的使用，而更重要的是要降低质量的衰退。

在教学过程中，要使学生建立各种不同的过程和循环来实现降低能量衰退，从而实现节能的目的。在课堂上积极引导学生的积极思维，找到能量质量下降的根本原因，即过程中存在的一些耗散效应，即不可逆因素。

2.2 在教学内容上，要突出节能的评价方法及其应用

常用的评价方法包括效率法、熵方法和方法。其中，效率法是从能量的数量角度考虑；熵和是质量和数量的角度考虑。故我们可以利用熵和分析方法对能量的转换进行分析达到节能的目的。在实际教学过程中，要让学生掌握三种分析法的使用场合，具体问题具体分析，特别是从节能的方面选择合适的能量分析方法。

燃煤发电时，效率只有40%左右，即60%左右的能量在转换过程中以废热的形式消耗在了大气环境中，如何提高其效率，是科技人员不懈的追求[3]。在这里讲到提高能源的利用率的重要性，可以提高学生的责任感和使命感。

2.3 在实际教学中，突出节能理论的应用

工程热力学是以能量为研究对象，而能量转换中大多数以热能的形式存在，节能的根本要科学用能，科学性越高越节能。在实际教学过程中，要引导学生深入研究能耗系统。分析出系统的最合理配置，同时要研究机械能损耗过程中物质转变为能量的规律和应用过程及方法，通过对这些过程和规律的研究，达到能源的高利用率和污染最小化的节能减排目的[4]。在教学中，可引入提高能量利用率的措施，如再热、回热、热电联产和热电冷联产等，进一步探讨节能的方法和措施。现在大型的蒸汽动力装置大部分采用回热措施，有时候为了进一步提高循环效率，通常将回热与再热同时并用，以求蒸汽动力装置得到尽可能高的热效率。为了充分利用乏气的能量，可以让蒸汽少做一些功，将较高的温度排出汽轮机，进入下一个用能设备加以利用，实现热电联产模式。目前，有学者提出热电冷联产模式，高品位的能量用于发电，相对低品位的能量用于空调或其他工艺[5]。教师要把有利于节能减排的新产品、新工艺及时补充教学体系中，并对涉及到的主要方法和技术的发展趋势进行总结，引导学生的学习，提高学生的学习兴趣，从而使教学内容紧跟科技发展的趋势，同时在教学内容上体现节能减排的意识培养。

2.4 理论联系实际，树立节能观点

在课堂教学中，运用实例有助于学生更好地理解本课程对于节能减排的应用意义。通过学习本课程，我们知道热泵是一种热量从低温物体转移到高温物体的能量轉换装置[6]。虽热泵由低温转到高温是非自发的，必须消耗机械能，但热泵的供热量远远大于所消耗的机械能。热泵也可以节省电能，与直接用电取暖相比，采用热泵可以节电80%以上。而且利用热泵还能节约燃料，若生产和生活中需要100℃以下热量，采用热泵比直接采用锅炉来供热可节约50%的燃料。再如，在讲解热力学基本定律时，增加实例来帮助学生理解节能与热力学基本定律之间的关系。请学生分析空调供暖与电炉取暖哪种方式更加节约能量。课堂教学中，请学生计算节约1度电可以少造成多少污染，少排放多少SO2、NO2、CO2和粉尘，还可以节约多少的净水。如果按我校43000的大学生平均每人每学期节约1度电计算，总共可以省多少吨的煤，少造成多少的污染。通过实例计算，培养学生日常生活中的节能意识，也可以增加理论知识的趣味性，也能增强学生学习的主动性。

2.5 与教师的科研工作相结合起来，在实践中培养学生的节能减排意识

教师的一些科研课题，如提高蒸汽动力循环效率的技术研究与应用、火电厂排放废气中氮氧化物、二氧化碳的减排研究等均与节能减排技术紧密结合，在课堂教学中教师可以利用在科研中所取得的成果与心得，结合实际案例讲给学生，同时可以利用毕业论文让学生参与到课题研究中，这不仅可以巩固学生专业知识，也培养了学生的兴趣，重要的是理论联系实际，更加能加深学生对节能减排的重要性和必要性的认识与理解，从而更加有利于巩固节能减排意识[7]。

3 结语

大学生是社会中具有较高文化层次的社会群体，其节能减排的意识直接影响着社会的环保意识的水平，对整个社会的环保氛围有着重要的示范和引导作用。工程热力学与节能之间紧密联系，在工程热力学教学中要重视培养学生的节能减排意识，促使他们科学用能，结合实际案例调动学生的学习兴趣，在实践中能不断创新，在提高能源利用率的同时，开发并利用新能源，找到节约能源与保护环境的可持续发展方法。

参考文献

[1] 王克群.节能减排的意义及对策[J].延边党校学报，2007（2）：37-39.

[2] 周娟，郭槺彬，王舫，等.基于节能减排的“工程热力学与传热学”教学方法探析[J].教育现代化，2016（25）：137-138.

[3] 陈占秀.论工程热力学作为专业基础课的核心作用[J].高等建筑教育，2010，19（2）：90-92.

[4] 吴晅，金光，高靖芳，等.工程热力学教学方法改革[J].中国冶金教育，2014（4）：24-25.

[5] 董韶峰，董少龙，彭惠兰.《工程热力学》教学中的节能环保教育[J].华北水利水电学院学报：社科版，2011， 27（4）：174-175.

[6] 华自强，张忠进，高青，等.工程热力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2012.

[7] 刘均荣.在石油工程专业课教学中培养学生“节能减排意识”[J].中国石油大学胜利学院学报，2008，22（1）：80-81.endprint