面向應(yīng)用的化工熱力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐

馮 劍，薛連海，馮建華

（滁州學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 滁州239012）

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，用來解決化工過程的能量及能量利用率，相平衡體系組成、溫度和壓力間的關(guān)系等問題。它是后續(xù)化工原理和化工分離工程等課程的基礎(chǔ)，有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。在熱力學(xué)第一和第二定律基礎(chǔ)上發(fā)展起來的熱力學(xué)，由于其理論框架具有高度簡(jiǎn)潔性、抽象性和嚴(yán)密的邏輯性，給教與學(xué)帶來很大困難。本科擴(kuò)招期間升格的新建本科院校尤為突出。新建本科院校的化工熱力學(xué)教學(xué)與傳統(tǒng)熱力學(xué)教學(xué)有一定區(qū)別，在熱力學(xué)基本理論方面要求有所降低，但在熱力學(xué)應(yīng)用技能方面有所加強(qiáng)，同時(shí)也不再需要介紹化工熱力學(xué)研究性的內(nèi)容。滁州學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院的化工熱力學(xué)課程最早從2006級(jí)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)開設(shè)，目前已面向四屆應(yīng)用化學(xué)和化學(xué)工程與工藝專業(yè)320名本科生開展了教學(xué)工作。在教學(xué)過程中，我們將化工熱力學(xué)應(yīng)用作為教學(xué)重點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

1 教學(xué)內(nèi)容

熱力學(xué)第一定律引入熱力學(xué)能（U）的概念，給出包含熱的能量平衡方程。熱力學(xué)第二定律引入熵（S）的概念，給出描述過程可逆與否的克勞修斯不等式。熱力學(xué)第零定律是給出溫度（T）的嚴(yán)格定義使得熱力學(xué)理論更加完備。熱力學(xué)第三定律給出熵的參考點(diǎn)（或零點(diǎn)）定義，從而使得計(jì)算熵絕對(duì)值成為可能。為了解決問題方便，引入不同系統(tǒng)，進(jìn)而引入了焓（H）、亥姆霍茲自由能（A）、吉布斯自由能（G）等狀態(tài)量的定義，以及一些輔助量和參數(shù)，如熱容（Cp、Cv）、逸度（f）、活度系數(shù)（Y）、氣相組成（y）和液相組成（x）等。熱力學(xué)給出了描述狀態(tài)量變化關(guān)系的一系列（微分）方程，其核心是描述不同能量函數(shù)（U、H、A和G等）變化的熱力學(xué)基本方程。所有這些構(gòu)成了嚴(yán)密的“熱力學(xué)原理”。在熱力學(xué)原理中，這些量的變化關(guān)系不與具體的物質(zhì)相關(guān)而具有普遍意義，因而熱力學(xué)理論又稱之為唯象理論。熱力學(xué)原理只表述了狀態(tài)量間的變化關(guān)系，無法計(jì)算出針對(duì)具體物質(zhì)某熱力學(xué)過程的狀態(tài)量變化值。為了解決實(shí)際問題，必須針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)提供相關(guān)狀態(tài)量間的變化關(guān)系，尤其是容易測(cè)定量，如p、V和T等量間的變化關(guān)系。它一般需要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)定，然后利用這些變化數(shù)據(jù)繪制熱力學(xué)圖表（如P-T-K圖），用于相應(yīng)系統(tǒng)的近似計(jì)算。更方便的做法是利用這些數(shù)據(jù)回歸出特定的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如狀態(tài)方程（PVT方程）。這種針對(duì)不同研究對(duì)象，獲得包含具體物質(zhì)物性參數(shù)的數(shù)學(xué)方程就是所謂的“熱力學(xué)模型”。熱力學(xué)模型還包括解決熱力學(xué)汽液平衡、液液平衡的活度系數(shù)模型，純物質(zhì)的熱容方程、飽和蒸汽壓方程等。有了具體物質(zhì)的熱力學(xué)模型，利用熱力學(xué)原理就可以獲得某化工過程的狀態(tài)量變化值或參數(shù)。這就是所謂的“應(yīng)用”。整個(gè)熱力學(xué)可以劃分為“熱力學(xué)原理”、“熱力學(xué)模型”和“應(yīng)用”三個(gè)部分，新建本科院校的化工熱力學(xué)教學(xué)更側(cè)重于“應(yīng)用”。

基礎(chǔ)化工熱力學(xué)教材內(nèi)容大致相同。面向應(yīng)用型的化工熱力學(xué)基本原理部分主要是介紹單組分流體熱力學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)基本定律、均相混合體系熱力學(xué)性質(zhì)、相平衡熱力學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)平衡等[1]。教學(xué)重點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)基本概念的理解、內(nèi)在的邏輯聯(lián)系以及熱力學(xué)原理的應(yīng)用范圍等。盡管對(duì)于各種計(jì)算公式的推導(dǎo)有助于掌握熱力學(xué)理論，但也容易挫傷學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此在教學(xué)過程中避免介紹過多的推導(dǎo)過程，只要介紹推導(dǎo)思路即可。熱力學(xué)模型部分主要有兩個(gè)方面知識(shí)，一個(gè)是流體的PVT關(guān)系，另一個(gè)是活度系數(shù)模型。構(gòu)建適用面更廣、更有效的熱力學(xué)模型是化工熱力學(xué)的重要研究領(lǐng)域，對(duì)于研究型大學(xué)這方面的知識(shí)介紹也是教學(xué)重點(diǎn)之一[2]。不過基礎(chǔ)化工熱力學(xué)中介紹的模型主要是一些經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，彼此間也沒有太多聯(lián)系。對(duì)于應(yīng)用型化工熱力學(xué)教學(xué)，這部分可以簡(jiǎn)單帶過。只要求學(xué)生了解幾種主要模型，及使用條件即可。化工熱力學(xué)有廣泛應(yīng)用場(chǎng)合，不同的化工熱力學(xué)教材，由于作者興趣不同包括很多應(yīng)用內(nèi)容[3-4]。然而，我們?cè)诮虒W(xué)中發(fā)現(xiàn)，講解過多的應(yīng)用領(lǐng)域，并不能加深學(xué)生對(duì)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的掌握。相反過多沒有理解和掌握的知識(shí)的累積，更加降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此，只將應(yīng)用領(lǐng)域集中于兩個(gè)常規(guī)部分，第一個(gè)就是化工過程的能量分析，特別是蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)等幾個(gè)典型過程的熱力學(xué)分析。這部分內(nèi)容中的理想功和損失功、有效能和無效能對(duì)于學(xué)生來說完全是全新概念，熟練掌握這些量的計(jì)算方法，對(duì)于學(xué)生來說有些困難。對(duì)于以應(yīng)用為目標(biāo)的化工人才，這方面的計(jì)算未來未必都會(huì)用得上。這方面知識(shí)的重點(diǎn)是要學(xué)生理解和掌握它們是在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的能量分析，得出的重要結(jié)論是一個(gè)過程不可逆程度越大，能量利用率就越低，從而掌握合理用能原則，為節(jié)能減排方面的應(yīng)用提供指導(dǎo)性常識(shí)。這部分應(yīng)用的教學(xué)重點(diǎn)是流動(dòng)體系的能量衡算。第二個(gè)方面內(nèi)容就是相平衡計(jì)算問題，核心是理解和掌握汽液和液液平衡計(jì)算方法。事實(shí)上，相平衡計(jì)算一般都需要借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)。哪怕是對(duì)于給定某二元混合體系的汽液平衡計(jì)算，學(xué)生完成的困難都較大。這部分的教學(xué)內(nèi)容主要是能夠熟練使用吉布斯相律進(jìn)行分析、能夠列出待求量的計(jì)算方程、烴類系統(tǒng)的K值法等。

2 教學(xué)方法

將化工熱力學(xué)基本知識(shí)和技能有效地傳授給學(xué)生并不容易。很多教師在這方面進(jìn)行了積極探索[5]。在教學(xué)工作中我們發(fā)現(xiàn)有三點(diǎn)較為有效。一是實(shí)例教學(xué)[6]。這里說的實(shí)例教學(xué)倒不一定是具體的工程實(shí)例，一開始就列舉很實(shí)用的例子相反會(huì)使部分學(xué)生產(chǎn)生恐懼心理，主要是由于學(xué)生在物理化學(xué)課程中遇到的都是理想化的實(shí)例，缺乏這方面的鍛煉。這里所說的實(shí)例教學(xué)是一開始不必引入一堆概念進(jìn)而演繹出一堆理論，而是先從一個(gè)具體的實(shí)例（如課本上的例題）出發(fā)給出求解方法，進(jìn)而引出概念和理論的方法。如在介紹汽液平衡計(jì)算時(shí)，先從一個(gè)二元系開始，使用吉布斯相律分析，進(jìn)而列出汽相或液相組成關(guān)系式等，然后在此基礎(chǔ)上再引出普遍化的計(jì)算方法。二是注意與物理化學(xué)的銜接。物理化學(xué)主要處理理想的封閉系統(tǒng)，而化工熱力學(xué)處理的多是非理想的開放系統(tǒng)。在化工熱力學(xué)教學(xué)中可以對(duì)物理化學(xué)中學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單回顧。對(duì)于從理想到非理性、封閉到開放系統(tǒng)轉(zhuǎn)化時(shí)熱力學(xué)原理的擴(kuò)展給予循序漸進(jìn)的介紹，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度。如對(duì)前面列舉的二元系汽液平衡計(jì)算例子，可以在介紹時(shí)將液體看作理想溶液、氣體看作理想氣體。這個(gè)問題的計(jì)算方法在一般的物理化學(xué)教材中都給予了較充分地介紹。進(jìn)而將液體和氣體分別看作非理想溶液和非理性氣體，這樣就過渡到化工熱力學(xué)上來了。在講解了基礎(chǔ)知識(shí)和基本概念后，還要列舉更多的典型實(shí)例降低學(xué)生解決實(shí)際問題的困難[7]。三是多媒體教學(xué)。對(duì)于公式推導(dǎo)過多的課程多媒體教學(xué)備受爭(zhēng)議。應(yīng)用型化工熱力學(xué)教學(xué)不再將公式推導(dǎo)作為重點(diǎn)，而對(duì)于實(shí)際化工過程的圖片表示，以及采用計(jì)算技術(shù)解決化工熱力學(xué)問題等，使得該課程更適合利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助教學(xué)[8]。尤其是在使用化工過程模擬軟件解決化工熱力學(xué)問題對(duì)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)更具實(shí)用價(jià)值。這方面的軟件很多，典型如 Aspen Plus、ChemCAD、Pro/II等。我們?cè)诨崃W(xué)教學(xué)中使用ChemCAD來解決一些具體問題[9]。選擇該軟件的理由是小巧和簡(jiǎn)單，特別適合于教學(xué)。如在汽液平衡計(jì)算例子中，只要利用ChemCAD，添加一個(gè)閃蒸罐、進(jìn)料和汽液產(chǎn)品，并用三個(gè)流連接示。然后確定工程單位、添加組成、選擇熱力學(xué)模型、設(shè)置進(jìn)料物流的性質(zhì)就可以計(jì)算出汽液兩相物流信息。液液平衡可以使用液液萃取器、液固平衡可以使用結(jié)晶器來完成。對(duì)于純氣體或混合氣體的PVT及其它熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算可通過添加壓縮機(jī)或膨脹機(jī)采用類似的方法完成。

3 考核方式

課程考核是評(píng)價(jià)教學(xué)效果的重要手段，不同的考核形式對(duì)于學(xué)生知識(shí)掌握和能力培養(yǎng)有重要的引導(dǎo)作用。本課程的最終成績(jī)由考勤、練習(xí)、考試和軟件應(yīng)用（面試）等多個(gè)部分組成?？记诒ＷC課堂教學(xué)秩序，練習(xí)是掌握熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和技能的重要手段?？紤]到化工熱力學(xué)計(jì)算復(fù)雜，有些需要進(jìn)行迭代計(jì)算。鼓勵(lì)學(xué)生使用Excel等軟件求解習(xí)題，并鼓勵(lì)學(xué)生提交電子練習(xí)。對(duì)于提交電子練習(xí)的學(xué)生在平時(shí)成績(jī)方面給予適當(dāng)加分。作為理論性較強(qiáng)的課程，考試是促使學(xué)生努力學(xué)習(xí)的必要手段。該課程考試主要考核基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念及計(jì)算能力的掌握。在軟件應(yīng)用方面，利用ChemCAD甚至自行編程解決具體的相平衡問題或一個(gè)單元操作的能量分析不是必須的，而是作為加分的自選內(nèi)容，供有興趣的同學(xué)選擇。凡是提交該部分作業(yè)的同學(xué)都有可能接受面試來檢查抄襲現(xiàn)象。

4 結(jié)語

以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目的的化工熱力學(xué)教學(xué)有著很大不同。本文反映了這方面的較為初步的探索與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。教學(xué)內(nèi)容關(guān)注熱力學(xué)基本概念的掌握、基本理論的邏輯聯(lián)系及應(yīng)用場(chǎng)合。側(cè)重流動(dòng)體系的能量平衡計(jì)算和相平衡計(jì)算。教學(xué)方法方面注意與物理化學(xué)銜接，盡量以實(shí)例組織教學(xué)；充分利用多媒體教學(xué)，將現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)引入化工熱力學(xué)教學(xué)。考核方式隨教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目的的變化作出相應(yīng)調(diào)整，對(duì)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用更加關(guān)注。

[1]馬沛生，李永紅.化工熱力學(xué)（通用型）[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]陸小華，馮新，吉遠(yuǎn)輝，等.迎接化工熱力學(xué)的第二個(gè)春天[J].化工高等教育，2008(3):19-21.

[3]陳鐘秀，顧飛燕，胡望明.化工熱力學(xué)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4]陳新志，蔡振云，胡望明.化工熱力學(xué)[M].3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[5]李興揚(yáng)，唐定興，沈鳳翠，等.化工熱力學(xué)教學(xué)改革與體驗(yàn)[J].化工高等教育，2011(3):71-73.

[6]馮新，陸小華，吉遠(yuǎn)輝，等.化工熱力學(xué)中從生活中來到生產(chǎn)中去的實(shí)例[J].化工高等教育，2009(1):42-45，46.

[7]Nicholas P.Chopey.化工計(jì)算手冊(cè)[M].3版，朱開宏，譯.北京:中國(guó)石化出版社，2005.

[8]馮劍，葛秀濤，薛連海，等.VBA在化工熱力學(xué)多媒體教學(xué)中的應(yīng)用[J].滁州學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，12(5):75-77.

[9]汪申，等.ChemCAD典型應(yīng)用實(shí)例：上[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.