用生活实例让《化工原理》教学更有效

盛凤军

(宜兴高等职业技术学校，江苏 宜兴 214206)

化工原理是化工类专业的核心主干课程，是以典型单元操作为研究对象，应用基础学科的有关理论研究化工单元操作基本原理和典型设备，并对各单元操作过程进行操作优化和设计优化，是一门实践性很强的课程[1]。化工原理是学生接触了解化工生产的第一步，被誉为“由基础课到专业课的过渡桥梁”，该课程理论多、概念多、公式多、生产设备多、计算量大，系统性差，具有很强的实践性和工程性，加上现在的中职学生基础普遍较差，对化学基本原理掌握不够，对化工生产缺乏了解，大部分学生在学习时感到内容枯燥，晦涩难懂[2-3]。如何增强化工原理课堂教学的生动性，激发培养学生对化工原理课程的学习兴趣，提高《化工原理》课堂教学的有效性，是中职化工原理教师面临的一大难题。

所谓“兴趣是最好的老师”，生动的生活实例是激发学生学习兴趣的良药，许多教师在教学中进行了积极的探索，并取得了一定成效[4-6]。笔者在多年的教学中发现，几乎所有化工原理涉及的基本理论，在生活中都可找到易于理解的实例。在化工原理课堂教学中适当地引入生活实例，将学生身边的生活现象和生活实例与教学内容结合起来，既激发了学生的学习兴趣，培养了学生的探索精神和创新意识，又能加深学生对化工原理基本概念、原理、公式的理解和应用，对教学起到了事半功倍的作用。

1 利用宿舍供水设计掌握化工管路计算

流体流动和流体输送是化工生产的基础，是化工原理核心内容，它包含静力学方程式、连续性方程式、柏努利方程式、流体阻力、离心泵选型计算等一系列内容，学生能否理解和掌握这些公式和计算至关重要。在教学过程中，教师可以设计这样一道题：请以学生自己居住的宿舍楼为对象，完成单幢学生宿舍楼的供水设计[7]。这道看似简单的题目，其实具有很大的信息量，并且包含了流体流动与流体输送中的主要内容。

首先，学生要根据晚自习结束后的用水高峰，估算高峰时整幢楼的用水量，再根据自来水合适的流速范围假定流速，求出所需输水管的管径，并根据计算的管径选择标准管，还要根据标准管的实际管径重新核算实际流速，确定实际流速是否在允许范围内。其次，宿舍楼是采用水塔供水，为了保证各个楼层的供水，各楼层支管的管径又是多少？进一步延伸，水塔高度是可以确定的(在楼顶)，如果确定向水塔送水的距离，如何计算管路阻力和所需扬程，并选择合适的离心泵？离心泵的安装位置与安装高度又如何确定？这些内容可以在教学内容中分步引入，逐层深入。学生对这些问题进行思考，并在老师的引导下进行实地测量、分析和计算，并与实际情况进行对比，这既活跃了课堂气氛，又给学生理解和掌握枯燥的理论与公式提供了有效途径，充分激发了学生的学习兴趣与热情，课堂教学也收到了良好的效果。

2 从电热油汀的使用理解传热机理

固体、液体、气体的传热方式与传热机理是传热计算的基础，热传导、热对流、热辐射三种传热方式的分析与计算是传热计算的重点，对流传热的分析与计算是传热计算的核心。在北方，化工原理老师常以室内的散热片为例讲解传热原理和换热器问题[8]，其实，现代家庭中常用的冬季取暖设备-电热油汀，其设计原理和传热机理可看作是为这些概念与理论的学习“量身打造”的。

电热油汀主要由密封式电热元件、金属加热管、铁散热片、控温元件、电源开关、指示灯等组成。这种取暖器是将电热管安装在散热片的腔体内部下方，在腔体内电热管周围注有导热油，当接通电源后，电热管周围的导热油被加热、升到腔体上部，沿散热管或散热片对流循环，将热量传递给散热片，通过散热片表面将热量辐射出去，从而加热空间环境。被空气冷却的导热油下降到电热管周围又被加热，开始新的循环。导热油将热量带到整个油汀腔体是通过“热对流”完成的，热量从腔体内壁传递至散热片表面是由“热传导”完成的，而散热片表面的热量通过“热辐射”加热整个房间。进一步分析，电热油汀内部没有泵等驱动设备，底部的导热油是如何将电热管产生的热量传递至整个腔体的呢？电热油在油汀内部的循环是怎么形成的？由此问题入手可以分析液体热对流机理和自然对流产生的原因。

从对流传热角度分析，热量从内部电热油传递至室内空气的传热阻力包括三个部分：从导热油传递至散热片内壁的对流传热阻力，从散热片内壁传递至外壁的热传导阻力，从散热片外壁辐射至室内空气的辐射传热阻力(假设空气不流动)。这三部分，它们各自对应的传热推动力是什么？除此之外，还可以进一步设问：用手感受一下散热片的温度，为什么室内空气温度并不高，而散热片的温度较高呢？散热片的温度是接近内部导热油的温度还是接近室内空气的温度？显然散热片很烫，温度应该接近内部导热油的温度，由此可以引出液固间的传热阻力小于气固间的传热阻力，即内部导热油和散热片内侧传热阻力小于散热片外侧与室内空气间传热阻力，从而得出液固间的对流传热系数高于气固间的对流传热系数这一重要结论，因此，散热片的温度更接近内部导热油的温度，所以散热片的温度很高。电热油汀其本质上就是一种换热器，这就确定了工业生产中的一个事实：换热器本身的温度总是接近传热系数较高一侧流体的温度。

继续设问：如果因人走动而导致空气流动，室内温度升高的快了还是慢了？若作进一步假设：门窗紧闭，用电风扇向电热油汀吹风，电热油汀向空气中传热快了还是慢了？室内温度升高的快了还是慢了？由此可以比较相同条件下辐射传热与对流传热速率的大小，可以分析冷流体一侧的流体流速对传热速率的影响，从而得出工业上强化传热的有效途径。

3 从高原反应认识亨利定律与气体吸收

吸收是分离气体混合物的单元操作，亨利定律是吸收分析与计算的基础，其表达式为：

p=Ex (1)

式中p-溶质在气相中的平衡分压，E-亨利系数，x-溶质在液相中的摩尔分数。

工业上的吸收操作离学生很远，但生活中的许多实例却有助于对亨利定律与气体吸收的分析和理解。

去青藏等高原地区旅游，会因缺氧而引起高原反应，为什么？我们知道，大气中的氧气比例保持恒定，其质量分数在21%左右，不因地区、高度的变化而变化，因此可以认为空气中氧气的摩尔分数y空气中的O2恒定。根据道尔顿分压定律：

pO2=p y空气中的O2(2)

式中pO2-空气中的氧气分压，p-外界大气压强。而血液中的溶氧量，根据亨利定律：

pO2=Ex血液中O2(3)

在高原地区或高山上，外界大气压强p变小(当海拔3000 m时，外界大气压强p=0.701×105Pa)，导致pO2变小，由式(3)知，x血液中O2变小，血液通过肺部吸收的氧气减少，也就是血液中的溶氧量减少，导致大脑缺氧而引起高原反应。

夏季鱼塘容易缺氧而导致鱼集体死亡，外界大气压并没有变化，为什么水中的含氧量会减少呢？那是因为温度升高，氧气在水中的亨利系数增大，根据亨利定律，x水中O2变小了，所以引起水中缺氧。怎样在夏季增加水中的氧含量呢？鱼塘中的增氧机是将水打到空中，通过增加空气(氧气)与水的接触面积来增加水中的氧含量。在工业吸收操作中，又是如何提高气体与液体的接触面积，从而提高气体吸收量呢？原来是通过细小的填料来实现的。由此，通过层层分析，使学生理解了工业生产上为什么用填料塔来进行吸收操作，并顺利引出工业吸收操作的主体设备—填料塔。

其实，我们身边还有许多的现象都可以用化工原理的基本理论来解释，如：“夏天的闷热与湿度的关系“可以用于理解干燥中湿空气的性质，“冬天、夏天我们坐木椅和金属椅的感觉”可以比较不同物质的导热性能，“冬日里阳光下灰尘的下降”可以分析固体物质沉降原理，“向上吹为什么不能吹出漏斗中的乒乓球、而向下吹漏斗中的乒乓球为什么不会掉下来”可以通过流体动力学方程的分析甚至计算来解释。当生活中常见的现象与本显枯燥的理论、公式相遇的时候，学生会激发出极大的学习兴趣。发现、挖掘身边与化工原理有密切联系的生活实例，并将之灵活应用于课堂教学中，化工原理课堂教学将更加有效。