[摘要] 本文介紹了如何在化工熱力學教學中組織教學內容,把握課程體系,深化經典熱力學的基本概念,培養學生掌握熱力學處理問題的思路與方法,提高熱力學教學效果的一些方法和體會。

[關鍵詞] 化工熱力學 概念 化學工程 教學

化工熱力學課程是在本科三年級開設的,在此之前學生接觸的課程都屬于基礎課,與中學課程的學習方法相差不大,而化工熱力學等專業基礎課講授的是化工生產中的一般規律。由于工程問題復雜多變,采用的是實驗研究方法和數學模型法,與基礎課中嚴密的數學分析或邏輯推理有所不同。這是工程學科和基礎學科的重要區別,也是學生不能很好的掌握化工熱力學課程學習方法的關鍵。因此要想提高化工熱力學的學習效果,使學生樹立工程觀點,并培養其獨立解決實際問題的能力,我們認為在化工熱力學的教學過程中應緊緊把握以下幾點。
一、精心組織教學內容,注意與相關課程的聯系
化工熱力學的主要內容是平衡狀態下熱力學性質的計算,相平衡與化學平衡的計算,化工過程的能量分析和能量有效利用等方面。只有將熱力學原理與反映體系特征的模型相結合,才能應用解決實際問題。原理、模型及應用是化工熱力學內容的基本組成部分,教學內容的組織要緊密圍繞原理、模型及應用三個部分來展開。原理是基礎,模型是工具,應用是目的。尤其是目前節能工作的深入開展,更要求學生掌握能量利用過程的原理,并對實際過程中的能量利用情況作出合理的評價。
化工熱力學與化學工程與工藝專業的許多其它課程密切相關,它在課程鏈中起著承上啟下的作用,又擔負著由基礎課到專業課過渡的特殊使命。物理化學是本課程的基礎,而本課程又是分離過程、化學反應工程及化工設計等課程的基礎。在課堂教學內容組織上要注意前后內容的相互聯系,化工熱力學公式較多,其推導過程需要高等數學的基本知識,進行結果計算需要用到數值分析的知識,因此對課程中用到的數學知識進行必要的準備有助于新內容的學習。而計算機是方便的計算工具,可以解決熱力學復雜的計算問題,可使計算結果更加準確。物理化學中的熱力學內容是以建立基本概念為主要目的,而化工熱力學是在完善概念的基礎上以應用為主要目的,所以化工熱力學的教學內容主要體現以應用為目的的特點,因此在教學過程中要特別注意避免與物理化學課程在內容上的重復。同時注意從物理化學到化工熱力學課程的幾個轉變,即:從理想體系、二元體系向非理想體系、多元體系的轉變,從隔離體系、封閉體系向敞開穩流體系的轉變,而熱力學性質的計算從以公式為主轉向以熱力學圖表為主。讓學生明確這些轉變,可幫助學生掌握經典熱力學解決問題的方法,并培養學生應用熱力學原理和方法解決實際問題的能力。
二、把握課程內容體系與問題分析方法
化工熱力學系統介紹了將熱力學原理應用于化學工程技術領域的研究方法,它以熱力學第一、第二定律為基礎,研究化工過程中各種能量的相互轉化及其有效利用,深刻闡述了各種物理和化學變化過程達到平衡的理論極限、條件、狀態及組成變化,是化工過程研究、開發和設計的理論基礎。課程教學內容包括流體的p-V-T關系及熱力學性質、化工過程的能量分析、蒸汽動力循環與制冷循環、流體的相平衡以及化學反應平衡等方面。其中流體的p-V-T關系及熱力學性質是其它內容的基礎,流體的相平衡及化學反應平衡內容是熱力學和傳質、分離、反應工程之間聯系的紐帶。要讓學生正確理解化工熱力學所研究和闡述的內容之間不是孤立的,而是相互聯系的,理清化工熱力學的內容體系與結構層次\\(見圖1\\),這樣才能更好地理解和掌握課程內容及其實際應用。

圖1 熱力學各內容之間的相互聯系
每個學科都有自己的知識體系和獨特的解決問題的方法,熱力學課程與學生之前接觸的課程特點不同,為了使學生能夠盡快地掌握熱力學,首先要學生清楚熱力學研究問題的方法,即理想化的方法、狀態函數法和元過程方法,然后指出解決熱力學問題的思路,即對于一個熱力學問題如何得到需要的結果,具體的步驟見圖2,這樣就可使學生盡快的適應熱力學處理問題的特點,掌握熱力學解決實際問題的方法。
三、重視熱力學概念教學和思路的引導
化工熱力學的最終目的是應用,但是只有理解了熱力學的基本概念,以及這些概念的來源、背景和意義,才能夠確實掌握熱力學課程的基本內容,也才能夠更好的應用于實際中。熱力學中重要的基本概念很多,如體系、狀態函數、廣度性質、強度性質、隔離體系、封閉體系、敞開體系、可逆循環、熱力學能、焓、熵、Gibbs自由能、偏摩爾性質、化學位、逸度、活度、理想氣體、理想溶液、理想功、損失功、火用等等,只有深刻理解其內涵,才能掌握熱力學的精華。比如對平衡的兩相,其平衡的條件是各組分在兩相的化學位相等,或者說各組分在兩相的偏摩爾Gibbs自由能相等,對純物質而言,偏摩爾Gibbs自由能就是摩爾Gibbs自由能,也就是該物質的化學位,而對混合物而言,某組分的偏摩爾Gibbs自由能就是該組分在混合物中的化學位,如果學生對這些概念認識不清楚,常常會導致對相平衡、化學平衡等概念產生錯誤的理解。
引導學生思路對于教學效果有重要影響。如溶液的熱力學性質一章,為找出各種物質在溶液中所“具有”的性質之間的關系,引入“偏摩爾性質”的概念。而偏摩爾性質中常用的是偏摩爾Gibbs自由能、偏摩爾焓以及偏摩爾體積。在這一章中主要講解偏摩爾Gibbs自由能的計算問題,主要為以后相平衡和化學平衡的計算打基礎,為了計算偏摩爾Gibbs自由能引入逸度和逸度系數的概念,對純氣體、氣體混合物中的組分以及混合物、純液體分別講解逸度的計算方法。但對于液體混合物而言為了計算其偏摩爾Gibbs自由能又引入活度和活度系數,而為了得到活度系數與組成之間的關系,又引入了超額性質的概念,只要知道超額性質與組成的關系即可推導出活度系數模型。這樣整個章節的內容就很清晰,使得學生對各概念的來龍去脈能夠很好的了解,可以避免學生陷入公式細枝末節的包圍中,使得教學效果明顯提高,同時對學生搭建熱力學知識框架十分有益。
總之,為了提高化工熱力學的教學效果,使學生能夠確實掌握工程處理問題的方法,了解化工熱力學與其它學科各自的特點,以便找到適合的學習方法。這就要求教師在教學過程中不斷的引導學生,使其能夠盡快地適應工程學科的學習。
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