熱工學(xué)課程難點(diǎn)內(nèi)容教學(xué)方式探討

張敏+張杰+周繼軍

摘 要 針對(duì)熱工學(xué)課程學(xué)習(xí)中學(xué)生普遍反映感到困難最多的狀態(tài)參數(shù)概念抽象、圖表復(fù)雜、知識(shí)枯燥等難題，以狀態(tài)參數(shù)“熵”“水蒸氣的焓熵圖”等內(nèi)容為例，進(jìn)行課程教學(xué)方式探討，以期補(bǔ)充完善熱工學(xué)課程教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，對(duì)活學(xué)活用熱工學(xué)的基本理論知識(shí)以及對(duì)后續(xù)學(xué)好本專業(yè)起著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞 熱工學(xué)；熵；焓-熵圖；教學(xué)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）23-0076-02

1 引言

食品冷鏈物流（Food Cold Chain Logistics）是上海海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程專業(yè)食品物流工程方向的專業(yè)特色。它是以制冷設(shè)施與技術(shù)作為手段，以食品冷凍冷藏工藝學(xué)作為基礎(chǔ)的一項(xiàng)低溫物流系統(tǒng)工程，過(guò)程要求易腐食品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯藏、銷(xiāo)售直至消費(fèi)前的一系列環(huán)節(jié)中始終維持在食品規(guī)定的低溫環(huán)境下，以減少食品損耗，保證食品質(zhì)量。它是隨著制冷技術(shù)的發(fā)展而建立起來(lái)的，熱工學(xué)中有關(guān)熱能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的基本理論和熱量傳遞規(guī)律，正是低溫冷鏈物流實(shí)踐應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，而活學(xué)活用熱工學(xué)的基本理論知識(shí)，對(duì)學(xué)好本專業(yè)起著至關(guān)重要的作用。

熱工學(xué)是一門(mén)研究熱能利用的基本原理和規(guī)律，以提高熱能利用率為主要目的的課程，包括工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)和熱工基礎(chǔ)的應(yīng)用等部分內(nèi)容。其中，工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)構(gòu)成熱工學(xué)的理論基礎(chǔ)，熱能轉(zhuǎn)換的基本概念、熱力學(xué)兩大基本定律、理想氣體和蒸汽的熱力性質(zhì)與熱力過(guò)程以及濕空氣等內(nèi)容屬于工程熱力學(xué)部分，而熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等3種熱量傳遞方式的基本理論（包括導(dǎo)熱的基本定律及穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱等）是傳熱學(xué)部分主要講述的內(nèi)容。目的是使學(xué)生掌握熱能轉(zhuǎn)換和利用的基本原理和規(guī)律，能夠?qū)τ嘘P(guān)熱科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行基本計(jì)算訓(xùn)練和獲得解決相關(guān)工程問(wèn)題的基本能力[1]。但是，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中反映感到困難最多的就是狀態(tài)參數(shù)概念抽象、圖表復(fù)雜、知識(shí)枯燥等。為此，筆者在教學(xué)實(shí)踐中有以下幾點(diǎn)體會(huì)和認(rèn)識(shí)。

2 多角度分層次學(xué)習(xí)抽象概念——以熵為例

工程熱力學(xué)中常用的狀態(tài)參數(shù)有6個(gè)：壓力、比體積、溫度、熵、熱力學(xué)能和焓。其中，熵的概念學(xué)生最難理解。熵是熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出的重要概念，在熱學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)在經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)學(xué)等其他學(xué)科中也逐漸得到重視和廣泛應(yīng)用[2]。

介紹“熵”這個(gè)字的歷史由來(lái) 我國(guó)最初是沒(méi)有“熵”這個(gè)字的，它是由Entropy這個(gè)單詞根據(jù)意譯而來(lái)的。1923年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克來(lái)我國(guó)講學(xué)時(shí)，我國(guó)物理學(xué)家胡剛復(fù)做翻譯，根據(jù)Entropy的定義是熱量除以溫度所得到的商值，而且這個(gè)概念與火有關(guān)，于是就在商上另加火字旁，創(chuàng)造了一個(gè)新字——“熵”。

介紹熵這個(gè)概念的歷史由來(lái) 熵的概念由德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏乖?850年首次提出，用熵來(lái)表示能量分布在空間中的均勻程度，越集中的能量空間分布，系統(tǒng)的熵值就越?。欢骄鶆虻哪芰糠植?，系統(tǒng)的熵值就越大，當(dāng)能量完全均勻分布的系統(tǒng)，熵就達(dá)到最大值。

介紹熵的定義 熵是描述所有不可逆過(guò)程共同特性的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)，它是不能再被轉(zhuǎn)化做功的能量的量度。可逆過(guò)程中，δQ/T的積分值和熱力過(guò)程的路徑無(wú)關(guān)，因此可以斷定可逆過(guò)程的δQ/T一定是某一狀態(tài)參數(shù)的恰當(dāng)微分，所以取名為熵（S），它的定義式為dS=δQ/T。

介紹熵的特點(diǎn)

1）熵是狀態(tài)參數(shù)，同狀態(tài)函數(shù)焓和熱力學(xué)能一樣，一般只計(jì)算狀態(tài)參數(shù)的變化；

2）計(jì)算不可逆過(guò)程的熵變時(shí)，其值僅取決于給定的狀態(tài)，與達(dá)到狀態(tài)的過(guò)程無(wú)關(guān)；

3）δQ=TdS的量綱是能量，T是強(qiáng)度量參數(shù)，Q、S是廣延量參數(shù)，計(jì)算時(shí)必須考慮體系的質(zhì)量。

介紹熵的物理意義 可分為宏觀和微觀兩個(gè)方面：從微觀上講，熵反映的是系統(tǒng)的無(wú)序度或混亂度；從宏觀上

講，一個(gè)熱力系熵的變化，可以表示為熵流和熵產(chǎn)之和，對(duì)應(yīng)選定的環(huán)境狀態(tài)，系統(tǒng)熵的變化是系統(tǒng)無(wú)效能變化的量度。

重點(diǎn)介紹熵的本質(zhì) 熵是一個(gè)反映自發(fā)過(guò)程不可逆性的狀態(tài)參數(shù)，自然發(fā)展的情況下，系統(tǒng)各部分能量差總是傾向于均衡。在孤立系統(tǒng)中，實(shí)際發(fā)生的過(guò)程總是使整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大，不能減少，極限的情況（可逆過(guò)程）保持不變，即孤立系的熵增原理[2]。摩擦生熱就是使一部分機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使熵增加；讓一個(gè)熱物體同一個(gè)冷物體相接觸，熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個(gè)物體達(dá)到相同的溫度為止。熱量由高溫物體傳至低溫物體，整個(gè)系統(tǒng)由高溫物體和低溫物體組成，高溫物體的熵減少，低溫物體的熵增加，熵總變化是它們的代數(shù)和，是增加的；每一次能量從一個(gè)較高水平（比如河水下落時(shí)，最初處于較高位置）轉(zhuǎn)化到一個(gè)較低水平（比如河水落到壩底，處于較低位置），都意味著下一次能再做功的能力減少了。

介紹熵在其他學(xué)科上的應(yīng)用 熵是熱力學(xué)第二定律導(dǎo)出的重要概念，它不但在熱學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，而且在生命科學(xué)、哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、生態(tài)學(xué)、歷史學(xué)、文學(xué)、藝術(shù)、語(yǔ)言學(xué)、宗教學(xué)等社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到很多學(xué)者的日益重視。例如：探索將生態(tài)系統(tǒng)熵量化為能量輸出或輸入與經(jīng)濟(jì)收入或支出之比；以貨幣流為參數(shù)來(lái)計(jì)算城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的熵變；以熵與焓的關(guān)系探討地球的熵增；生物與環(huán)境綜合為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，生命體時(shí)刻與外界進(jìn)行能量、物質(zhì)、信息的交換，是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，任何真實(shí)的系統(tǒng)都不能脫離環(huán)境而存在，可以用“生命熵”來(lái)獨(dú)立定義，用熵來(lái)分析一個(gè)生命體生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老、死亡的全過(guò)程。自然界所有的生物利用和環(huán)境的能量交換趨于多樣、有序、熵減小，最終被環(huán)境選擇，得以進(jìn)化。

3 結(jié)合應(yīng)用實(shí)例學(xué)習(xí)圖表知識(shí)——以焓熵圖為例

水蒸氣的熱力性質(zhì)圖表是熱力過(guò)程計(jì)算中的重要依據(jù)。但是對(duì)這一部分內(nèi)容，學(xué)生普遍反映圖表太復(fù)雜，圖中等參數(shù)線太多，表中數(shù)據(jù)參數(shù)太多，水和水蒸氣狀態(tài)又十分復(fù)雜，應(yīng)用起來(lái)很不方便。