用生活實(shí)例讓《化工原理》教學(xué)更有效

盛鳳軍

(宜興高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 宜興 214206)

化工原理是化工類專業(yè)的核心主干課程，是以典型單元操作為研究對(duì)象，應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科的有關(guān)理論研究化工單元操作基本原理和典型設(shè)備，并對(duì)各單元操作過程進(jìn)行操作優(yōu)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1]?；ぴ硎菍W(xué)生接觸了解化工生產(chǎn)的第一步，被譽(yù)為“由基礎(chǔ)課到專業(yè)課的過渡橋梁”，該課程理論多、概念多、公式多、生產(chǎn)設(shè)備多、計(jì)算量大，系統(tǒng)性差，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，加上現(xiàn)在的中職學(xué)生基礎(chǔ)普遍較差，對(duì)化學(xué)基本原理掌握不夠，對(duì)化工生產(chǎn)缺乏了解，大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感到內(nèi)容枯燥，晦澀難懂[2-3]。如何增強(qiáng)化工原理課堂教學(xué)的生動(dòng)性，激發(fā)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化工原理課程的學(xué)習(xí)興趣，提高《化工原理》課堂教學(xué)的有效性，是中職化工原理教師面臨的一大難題。

所謂“興趣是最好的老師”，生動(dòng)的生活實(shí)例是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的良藥，許多教師在教學(xué)中進(jìn)行了積極的探索，并取得了一定成效[4-6]。筆者在多年的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，幾乎所有化工原理涉及的基本理論，在生活中都可找到易于理解的實(shí)例。在化工原理課堂教學(xué)中適當(dāng)?shù)匾肷顚?shí)例，將學(xué)生身邊的生活現(xiàn)象和生活實(shí)例與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)，又能加深學(xué)生對(duì)化工原理基本概念、原理、公式的理解和應(yīng)用，對(duì)教學(xué)起到了事半功倍的作用。

1 利用宿舍供水設(shè)計(jì)掌握化工管路計(jì)算

流體流動(dòng)和流體輸送是化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是化工原理核心內(nèi)容，它包含靜力學(xué)方程式、連續(xù)性方程式、柏努利方程式、流體阻力、離心泵選型計(jì)算等一系列內(nèi)容，學(xué)生能否理解和掌握這些公式和計(jì)算至關(guān)重要。在教學(xué)過程中，教師可以設(shè)計(jì)這樣一道題：請(qǐng)以學(xué)生自己居住的宿舍樓為對(duì)象，完成單幢學(xué)生宿舍樓的供水設(shè)計(jì)[7]。這道看似簡(jiǎn)單的題目，其實(shí)具有很大的信息量，并且包含了流體流動(dòng)與流體輸送中的主要內(nèi)容。

首先，學(xué)生要根據(jù)晚自習(xí)結(jié)束后的用水高峰，估算高峰時(shí)整幢樓的用水量，再根據(jù)自來水合適的流速范圍假定流速，求出所需輸水管的管徑，并根據(jù)計(jì)算的管徑選擇標(biāo)準(zhǔn)管，還要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管的實(shí)際管徑重新核算實(shí)際流速，確定實(shí)際流速是否在允許范圍內(nèi)。其次，宿舍樓是采用水塔供水，為了保證各個(gè)樓層的供水，各樓層支管的管徑又是多少？進(jìn)一步延伸，水塔高度是可以確定的(在樓頂)，如果確定向水塔送水的距離，如何計(jì)算管路阻力和所需揚(yáng)程，并選擇合適的離心泵？離心泵的安裝位置與安裝高度又如何確定？這些內(nèi)容可以在教學(xué)內(nèi)容中分步引入，逐層深入。學(xué)生對(duì)這些問題進(jìn)行思考，并在老師的引導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)地測(cè)量、分析和計(jì)算，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，這既活躍了課堂氣氛，又給學(xué)生理解和掌握枯燥的理論與公式提供了有效途徑，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情，課堂教學(xué)也收到了良好的效果。

2 從電熱油汀的使用理解傳熱機(jī)理

固體、液體、氣體的傳熱方式與傳熱機(jī)理是傳熱計(jì)算的基礎(chǔ)，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種傳熱方式的分析與計(jì)算是傳熱計(jì)算的重點(diǎn)，對(duì)流傳熱的分析與計(jì)算是傳熱計(jì)算的核心。在北方，化工原理老師常以室內(nèi)的散熱片為例講解傳熱原理和換熱器問題[8]，其實(shí)，現(xiàn)代家庭中常用的冬季取暖設(shè)備-電熱油汀，其設(shè)計(jì)原理和傳熱機(jī)理可看作是為這些概念與理論的學(xué)習(xí)“量身打造”的。

電熱油汀主要由密封式電熱元件、金屬加熱管、鐵散熱片、控溫元件、電源開關(guān)、指示燈等組成。這種取暖器是將電熱管安裝在散熱片的腔體內(nèi)部下方，在腔體內(nèi)電熱管周圍注有導(dǎo)熱油，當(dāng)接通電源后，電熱管周圍的導(dǎo)熱油被加熱、升到腔體上部，沿散熱管或散熱片對(duì)流循環(huán)，將熱量傳遞給散熱片，通過散熱片表面將熱量輻射出去，從而加熱空間環(huán)境。被空氣冷卻的導(dǎo)熱油下降到電熱管周圍又被加熱，開始新的循環(huán)。導(dǎo)熱油將熱量帶到整個(gè)油汀腔體是通過“熱對(duì)流”完成的，熱量從腔體內(nèi)壁傳遞至散熱片表面是由“熱傳導(dǎo)”完成的，而散熱片表面的熱量通過“熱輻射”加熱整個(gè)房間。進(jìn)一步分析，電熱油汀內(nèi)部沒有泵等驅(qū)動(dòng)設(shè)備，底部的導(dǎo)熱油是如何將電熱管產(chǎn)生的熱量傳遞至整個(gè)腔體的呢？電熱油在油汀內(nèi)部的循環(huán)是怎么形成的？由此問題入手可以分析液體熱對(duì)流機(jī)理和自然對(duì)流產(chǎn)生的原因。

從對(duì)流傳熱角度分析，熱量從內(nèi)部電熱油傳遞至室內(nèi)空氣的傳熱阻力包括三個(gè)部分：從導(dǎo)熱油傳遞至散熱片內(nèi)壁的對(duì)流傳熱阻力，從散熱片內(nèi)壁傳遞至外壁的熱傳導(dǎo)阻力，從散熱片外壁輻射至室內(nèi)空氣的輻射傳熱阻力(假設(shè)空氣不流動(dòng))。這三部分，它們各自對(duì)應(yīng)的傳熱推動(dòng)力是什么？除此之外，還可以進(jìn)一步設(shè)問：用手感受一下散熱片的溫度，為什么室內(nèi)空氣溫度并不高，而散熱片的溫度較高呢？散熱片的溫度是接近內(nèi)部導(dǎo)熱油的溫度還是接近室內(nèi)空氣的溫度？顯然散熱片很燙，溫度應(yīng)該接近內(nèi)部導(dǎo)熱油的溫度，由此可以引出液固間的傳熱阻力小于氣固間的傳熱阻力，即內(nèi)部導(dǎo)熱油和散熱片內(nèi)側(cè)傳熱阻力小于散熱片外側(cè)與室內(nèi)空氣間傳熱阻力，從而得出液固間的對(duì)流傳熱系數(shù)高于氣固間的對(duì)流傳熱系數(shù)這一重要結(jié)論，因此，散熱片的溫度更接近內(nèi)部導(dǎo)熱油的溫度，所以散熱片的溫度很高。電熱油汀其本質(zhì)上就是一種換熱器，這就確定了工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)事實(shí)：換熱器本身的溫度總是接近傳熱系數(shù)較高一側(cè)流體的溫度。

繼續(xù)設(shè)問：如果因人走動(dòng)而導(dǎo)致空氣流動(dòng)，室內(nèi)溫度升高的快了還是慢了？若作進(jìn)一步假設(shè)：門窗緊閉，用電風(fēng)扇向電熱油汀吹風(fēng)，電熱油汀向空氣中傳熱快了還是慢了？室內(nèi)溫度升高的快了還是慢了？由此可以比較相同條件下輻射傳熱與對(duì)流傳熱速率的大小，可以分析冷流體一側(cè)的流體流速對(duì)傳熱速率的影響，從而得出工業(yè)上強(qiáng)化傳熱的有效途徑。

3 從高原反應(yīng)認(rèn)識(shí)亨利定律與氣體吸收

吸收是分離氣體混合物的單元操作，亨利定律是吸收分析與計(jì)算的基礎(chǔ)，其表達(dá)式為：

p=Ex (1)

式中p-溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，E-亨利系數(shù)，x-溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)。

工業(yè)上的吸收操作離學(xué)生很遠(yuǎn)，但生活中的許多實(shí)例卻有助于對(duì)亨利定律與氣體吸收的分析和理解。

去青藏等高原地區(qū)旅游，會(huì)因缺氧而引起高原反應(yīng)，為什么？我們知道，大氣中的氧氣比例保持恒定，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在21%左右，不因地區(qū)、高度的變化而變化，因此可以認(rèn)為空氣中氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)y空氣中的O2恒定。根據(jù)道爾頓分壓定律：

pO2=p y空氣中的O2(2)

式中pO2-空氣中的氧氣分壓，p-外界大氣壓強(qiáng)。而血液中的溶氧量，根據(jù)亨利定律：

pO2=Ex血液中O2(3)

在高原地區(qū)或高山上，外界大氣壓強(qiáng)p變小(當(dāng)海拔3000 m時(shí)，外界大氣壓強(qiáng)p=0.701×105Pa)，導(dǎo)致pO2變小，由式(3)知，x血液中O2變小，血液通過肺部吸收的氧氣減少，也就是血液中的溶氧量減少，導(dǎo)致大腦缺氧而引起高原反應(yīng)。

夏季魚塘容易缺氧而導(dǎo)致魚集體死亡，外界大氣壓并沒有變化，為什么水中的含氧量會(huì)減少呢？那是因?yàn)闇囟壬?，氧氣在水中的亨利系?shù)增大，根據(jù)亨利定律，x水中O2變小了，所以引起水中缺氧。怎樣在夏季增加水中的氧含量呢？魚塘中的增氧機(jī)是將水打到空中，通過增加空氣(氧氣)與水的接觸面積來增加水中的氧含量。在工業(yè)吸收操作中，又是如何提高氣體與液體的接觸面積，從而提高氣體吸收量呢？原來是通過細(xì)小的填料來實(shí)現(xiàn)的。由此，通過層層分析，使學(xué)生理解了工業(yè)生產(chǎn)上為什么用填料塔來進(jìn)行吸收操作，并順利引出工業(yè)吸收操作的主體設(shè)備—填料塔。

其實(shí)，我們身邊還有許多的現(xiàn)象都可以用化工原理的基本理論來解釋，如：“夏天的悶熱與濕度的關(guān)系“可以用于理解干燥中濕空氣的性質(zhì)，“冬天、夏天我們坐木椅和金屬椅的感覺”可以比較不同物質(zhì)的導(dǎo)熱性能，“冬日里陽光下灰塵的下降”可以分析固體物質(zhì)沉降原理，“向上吹為什么不能吹出漏斗中的乒乓球、而向下吹漏斗中的乒乓球?yàn)槭裁床粫?huì)掉下來”可以通過流體動(dòng)力學(xué)方程的分析甚至計(jì)算來解釋。當(dāng)生活中常見的現(xiàn)象與本顯枯燥的理論、公式相遇的時(shí)候，學(xué)生會(huì)激發(fā)出極大的學(xué)習(xí)興趣。發(fā)現(xiàn)、挖掘身邊與化工原理有密切聯(lián)系的生活實(shí)例，并將之靈活應(yīng)用于課堂教學(xué)中，化工原理課堂教學(xué)將更加有效。