化工熱力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探討與實(shí)踐

孫強(qiáng) 郭緒強(qiáng) 李瑞麗 孟祥海

一、引言

眾所周知，教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于本科生教學(xué)具有積極的促進(jìn)作用。因此，許多本科課程或?qū)I(yè)均設(shè)有專門的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如針對(duì)化工原理課程開設(shè)的化工原理實(shí)驗(yàn)，針對(duì)環(huán)境工程專業(yè)開設(shè)的環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)等。化工熱力學(xué)課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要講授化工過程中的熱力學(xué)基本理論和利用熱力學(xué)理論分析、解決化工實(shí)際問題的方法。相比較其他化工專業(yè)基礎(chǔ)課程而言，化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)仍不完善，不僅開設(shè)實(shí)驗(yàn)的高校屈指可數(shù)，而且開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也較少。鄭州大學(xué)在化工熱力學(xué)教學(xué)過程中開設(shè)了2個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是二氧化碳PVT關(guān)系和蒸汽壓縮制冷循環(huán)。大連理工大學(xué)的化工熱力學(xué)課程開設(shè)了2個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別為汽液相平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定與關(guān)聯(lián)，以及三元系統(tǒng)液液相平衡測(cè)定。青島科技大學(xué)圍繞二元?dú)庖合嗥胶夂腿芤簾崃W(xué)等內(nèi)容開設(shè)了6個(gè)化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。上述熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)對(duì)于學(xué)生深入理解化工熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)具有良好的輔助作用。

中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院是該校第一個(gè)進(jìn)行專業(yè)認(rèn)證的學(xué)院，根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)要求，以及化工學(xué)院學(xué)科建設(shè)總體發(fā)展目標(biāo)要求，一方面需要加大對(duì)本科生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，另一方面需要補(bǔ)充目前沒有開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，因此建設(shè)化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室勢(shì)在必行。

二、化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

1.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路。中國(guó)石油大學(xué)（北京）采用的化工熱力學(xué)教材為陳光進(jìn)主編、石油工業(yè)出版社2010年2月第2次印刷出版的《化工熱力學(xué)》，主要內(nèi)容包括流體熱力學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)定律、化工有效能分析、溶液熱力學(xué)以及相平衡計(jì)算。該教材曾榮獲中國(guó)石油大學(xué)（北京）第七屆優(yōu)秀教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，同時(shí)也是高等院校石油天然氣類規(guī)劃教材。因此，為有效配合課堂教學(xué)，化工熱力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)主要依托及結(jié)合該教材的內(nèi)容。

與此同時(shí)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工熱力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在油氣藏流體相態(tài)及水合物研究方面取得了較好的成果。因此，在化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過程中充分結(jié)合了團(tuán)隊(duì)成員的科研內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化，達(dá)到教學(xué)科研相輔相成、相互統(tǒng)一的效果。

2.開設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?；趯?shí)驗(yàn)室的建設(shè)思路，開設(shè)以下四個(gè)化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)：（1）CO2相行為測(cè)定（3學(xué)時(shí)）。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑檎莆樟黧wPVT測(cè)定方法;觀察近臨界區(qū)域內(nèi)流體的相態(tài)隨著壓力的變化;增加對(duì)臨界現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為測(cè)定CO2氣體在恒定溫度下，壓力與體積的變化關(guān)系，并觀察近臨界區(qū)域內(nèi)CO2的相態(tài)隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。根據(jù)P、V變化值，繪制出恒定溫度下的P-V關(guān)系圖，獲得CO2在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件的相行為。（2）制冷系數(shù)測(cè)定（2學(xué)時(shí)）。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榧由顚?duì)制冷循環(huán)的認(rèn)識(shí)，了解實(shí)際制冷循環(huán)與理論制冷循環(huán)的差異，樹立能量的有效利用的概念;了解在不同的蒸發(fā)溫度下（冷凝溫度不變）及不同的冷凝溫度下（蒸發(fā)溫度不變）制冷系數(shù)及制冷量的變化;掌握制冷參數(shù)的測(cè)定，明確提高制冷系數(shù)可采用的方法。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為利用蒸汽壓縮制冷裝置，通過制冷劑的相變過程實(shí)現(xiàn)完整的制冷循環(huán)，獲得實(shí)際制冷循環(huán)過程中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算得出制冷系數(shù)及制冷量。（3）CO2溶解度測(cè)定（3學(xué)時(shí)）。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑檎莆諝怏w溶解度的測(cè)定原理及方法，進(jìn)一步鞏固氣液相平衡的相關(guān)知識(shí)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為在一定溫度和壓力下，使純水吸收CO2氣體并達(dá)到飽和狀態(tài)，利用排水法獲得CO2在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下的溶解度。（4）水合物相平衡測(cè)定（6學(xué)時(shí)）。實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榱私馑衔餃y(cè)定儀的基本構(gòu)造和原理;掌握水合物生成相平衡測(cè)定方法，加深對(duì)含水合物體系的氣-液-固三相平衡的認(rèn)識(shí);熟悉水合物的生成化解過程及基本性質(zhì)。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為采用圖形法測(cè)定天然氣-水體系的水合物生成條件，觀察天然氣水合物的形態(tài)，增加對(duì)水合物的感性認(rèn)識(shí)。所有實(shí)驗(yàn)裝置均由教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員結(jié)合自己的科研成果自行設(shè)計(jì)、共同研制的。尤其是水合物測(cè)定儀，是根據(jù)團(tuán)隊(duì)多年來在水合物研究方面的專長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)而開發(fā)的，體現(xiàn)出一定的科學(xué)研究前沿價(jià)值。

3.教學(xué)大綱制定。化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的主要目標(biāo)是使學(xué)生從應(yīng)用角度出發(fā)，在理論和實(shí)踐上掌握流體熱力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算、能量平衡和高效利用、流體相平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算方法，幫助學(xué)生深入理解化工熱力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。增加化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)課以后，化工熱力學(xué)課程的總課時(shí)數(shù)（64課時(shí)）及總學(xué)分（4學(xué)分）仍保持不變，具體包括56課時(shí)（3.5學(xué)分）的課堂授課，以及8課時(shí)（0.5學(xué)分）的實(shí)驗(yàn)課。開設(shè)的四個(gè)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)類型均為設(shè)計(jì)型，對(duì)化學(xué)工程與工藝、能源化學(xué)工程專業(yè)作為必修課程，對(duì)環(huán)境工程、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)以及其他專業(yè)作為選修課程。實(shí)驗(yàn)大綱同時(shí)規(guī)定了實(shí)驗(yàn)人員及裝置的分配，明確了具體的考核方式。

4.實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的特色與創(chuàng)新點(diǎn)。（1）結(jié)合選用的《化工熱力學(xué)》教材內(nèi)容，建成較為完善的本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，可作為教學(xué)示范，同時(shí)為大學(xué)生科技創(chuàng)新以及參加高層次化工實(shí)驗(yàn)技能大賽等提供基礎(chǔ)條件。（2）充分結(jié)合團(tuán)隊(duì)成員的科研內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化。不僅有效保證了實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的合理性、實(shí)驗(yàn)順利開出的可行性以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，同時(shí)有助于使學(xué)生了解熱力學(xué)的科學(xué)研究，培養(yǎng)積極的科研興趣。（3）設(shè)立天然氣水合物相平衡測(cè)定實(shí)驗(yàn)，不僅能幫助學(xué)生更好地理解熱力學(xué)中多相平衡的概念和特點(diǎn)，還可使學(xué)生對(duì)天然氣水合物，也就是可燃冰這一新能源有直觀的感受和認(rèn)識(shí)。這是化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室在本科教學(xué)中的一個(gè)特色。

三、結(jié)論

無論是從化工熱力學(xué)課程自身的教學(xué)需要出發(fā)，還是中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工學(xué)院學(xué)科建設(shè)及專業(yè)認(rèn)證的要求出發(fā)，均迫切需要增加化工熱力學(xué)本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)化工熱力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。中國(guó)石油大學(xué)（北京）化工熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)是在充分結(jié)合教材內(nèi)容和熱力學(xué)團(tuán)隊(duì)科研成果的基礎(chǔ)上完成的，開出的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既符合熱力學(xué)課程的教學(xué)要求，體現(xiàn)了熱力學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，又與科研前沿及成果緊密聯(lián)系，具有非常鮮明的實(shí)驗(yàn)特色和創(chuàng)新之處。

從實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行實(shí)際效果來看，完全實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)以及化工熱力學(xué)的教學(xué)目標(biāo)，豐富了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的方法，提高了學(xué)生對(duì)熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)室的建立實(shí)現(xiàn)了良好的教學(xué)方法改進(jìn)，在熱力學(xué)團(tuán)隊(duì)老師及學(xué)生當(dāng)中均獲得了較好的認(rèn)可和積極的反響，為化工熱力學(xué)課程的教學(xué)創(chuàng)立了較好的示范。

Discussion and Practice of Building Teaching Laboratory of "Chemical Engineering Thermodynamics"

SUN Qiang1，GUO Xu-qiang2，LI Rui-li1，MENG Xiang-hai1

（1.Department of Chemical Engineering and Environment，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China;

2.Department of Engineering，China University of Petroleum-Beijing at Karamay，Karamay，Xinjiang 834000，China）

Abstract：Combining teaching experiments with classroom teaching is an effective approach to guarantee the learning effect of students.The urgency and significance of adding teaching experiments to "Chemical Engineering Thermodynamics" are analyzed in the article.Based on fully combining the textbook and research contents of thermodynamic team，the authors determined the contents of experiments，designed and developed the experimental apparatuses，built the complete laboratory of "Chemical Engineering Thermodynamics"，and worked out the corresponding teaching syllabus and training plan.The practice effects demonstrate that teaching experiments can help students to comprehend the basic knowledge of "Chemical Engineering Thermodynamics"，increase perceptual understanding，learn the corresponding experimental skills，and train the ability to analyze and solve problems.

Key words：Chemical Engineering Thermodynamics;teaching laboratory;teaching reform