[摘要] 本文介绍了如何在化工热力学教学中组织教学内容,把握课程体系,深化经典热力学的基本概念,培养学生掌握热力学处理问题的思路与方法,提高热力学教学效果的一些方法和体会。

[关键词] 化工热力学 概念 化学工程 教学

化工热力学课程是在本科三年级开设的,在此之前学生接触的课程都属于基础课,与中学课程的学习方法相差不大,而化工热力学等专业基础课讲授的是化工生产中的一般规律。由于工程问题复杂多变,采用的是实验研究方法和数学模型法,与基础课中严密的数学分析或逻辑推理有所不同。这是工程学科和基础学科的重要区别,也是学生不能很好的掌握化工热力学课程学习方法的关键。因此要想提高化工热力学的学习效果,使学生树立工程观点,并培养其独立解决实际问题的能力,我们认为在化工热力学的教学过程中应紧紧把握以下几点。
一、精心组织教学内容,注意与相关课程的联系
化工热力学的主要内容是平衡状态下热力学性质的计算,相平衡与化学平衡的计算,化工过程的能量分析和能量有效利用等方面。只有将热力学原理与反映体系特征的模型相结合,才能应用解决实际问题。原理、模型及应用是化工热力学内容的基本组成部分,教学内容的组织要紧密围绕原理、模型及应用三个部分来展开。原理是基础,模型是工具,应用是目的。尤其是目前节能工作的深入开展,更要求学生掌握能量利用过程的原理,并对实际过程中的能量利用情况作出合理的评价。
化工热力学与化学工程与工艺专业的许多其它课程密切相关,它在课程链中起着承上启下的作用,又担负着由基础课到专业课过渡的特殊使命。物理化学是本课程的基础,而本课程又是分离过程、化学反应工程及化工设计等课程的基础。在课堂教学内容组织上要注意前后内容的相互联系,化工热力学公式较多,其推导过程需要高等数学的基本知识,进行结果计算需要用到数值分析的知识,因此对课程中用到的数学知识进行必要的准备有助于新内容的学习。而计算机是方便的计算工具,可以解决热力学复杂的计算问题,可使计算结果更加准确。物理化学中的热力学内容是以建立基本概念为主要目的,而化工热力学是在完善概念的基础上以应用为主要目的,所以化工热力学的教学内容主要体现以应用为目的的特点,因此在教学过程中要特别注意避免与物理化学课程在内容上的重复。同时注意从物理化学到化工热力学课程的几个转变,即:从理想体系、二元体系向非理想体系、多元体系的转变,从隔离体系、封闭体系向敞开稳流体系的转变,而热力学性质的计算从以公式为主转向以热力学图表为主。让学生明确这些转变,可帮助学生掌握经典热力学解决问题的方法,并培养学生应用热力学原理和方法解决实际问题的能力。
二、把握课程内容体系与问题分析方法
化工热力学系统介绍了将热力学原理应用于化学工程技术领域的研究方法,它以热力学第一、第二定律为基础,研究化工过程中各种能量的相互转化及其有效利用,深刻阐述了各种物理和化学变化过程达到平衡的理论极限、条件、状态及组成变化,是化工过程研究、开发和设计的理论基础。课程教学内容包括流体的p-V-T关系及热力学性质、化工过程的能量分析、蒸汽动力循环与制冷循环、流体的相平衡以及化学反应平衡等方面。其中流体的p-V-T关系及热力学性质是其它内容的基础,流体的相平衡及化学反应平衡内容是热力学和传质、分离、反应工程之间联系的纽带。要让学生正确理解化工热力学所研究和阐述的内容之间不是孤立的,而是相互联系的,理清化工热力学的内容体系与结构层次\\(见图1\\),这样才能更好地理解和掌握课程内容及其实际应用。

图1 热力学各内容之间的相互联系
每个学科都有自己的知识体系和独特的解决问题的方法,热力学课程与学生之前接触的课程特点不同,为了使学生能够尽快地掌握热力学,首先要学生清楚热力学研究问题的方法,即理想化的方法、状态函数法和元过程方法,然后指出解决热力学问题的思路,即对于一个热力学问题如何得到需要的结果,具体的步骤见图2,这样就可使学生尽快的适应热力学处理问题的特点,掌握热力学解决实际问题的方法。
三、重视热力学概念教学和思路的引导
化工热力学的最终目的是应用,但是只有理解了热力学的基本概念,以及这些概念的来源、背景和意义,才能够确实掌握热力学课程的基本内容,也才能够更好的应用于实际中。热力学中重要的基本概念很多,如体系、状态函数、广度性质、强度性质、隔离体系、封闭体系、敞开体系、可逆循环、热力学能、焓、熵、Gibbs自由能、偏摩尔性质、化学位、逸度、活度、理想气体、理想溶液、理想功、损失功、火用等等,只有深刻理解其内涵,才能掌握热力学的精华。比如对平衡的两相,其平衡的条件是各组分在两相的化学位相等,或者说各组分在两相的偏摩尔Gibbs自由能相等,对纯物质而言,偏摩尔Gibbs自由能就是摩尔Gibbs自由能,也就是该物质的化学位,而对混合物而言,某组分的偏摩尔Gibbs自由能就是该组分在混合物中的化学位,如果学生对这些概念认识不清楚,常常会导致对相平衡、化学平衡等概念产生错误的理解。
引导学生思路对于教学效果有重要影响。如溶液的热力学性质一章,为找出各种物质在溶液中所“具有”的性质之间的关系,引入“偏摩尔性质”的概念。而偏摩尔性质中常用的是偏摩尔Gibbs自由能、偏摩尔焓以及偏摩尔体积。在这一章中主要讲解偏摩尔Gibbs自由能的计算问题,主要为以后相平衡和化学平衡的计算打基础,为了计算偏摩尔Gibbs自由能引入逸度和逸度系数的概念,对纯气体、气体混合物中的组分以及混合物、纯液体分别讲解逸度的计算方法。但对于液体混合物而言为了计算其偏摩尔Gibbs自由能又引入活度和活度系数,而为了得到活度系数与组成之间的关系,又引入了超额性质的概念,只要知道超额性质与组成的关系即可推导出活度系数模型。这样整个章节的内容就很清晰,使得学生对各概念的来龙去脉能够很好的了解,可以避免学生陷入公式细枝末节的包围中,使得教学效果明显提高,同时对学生搭建热力学知识框架十分有益。
总之,为了提高化工热力学的教学效果,使学生能够确实掌握工程处理问题的方法,了解化工热力学与其它学科各自的特点,以便找到适合的学习方法。这就要求教师在教学过程中不断的引导学生,使其能够尽快地适应工程学科的学习。
参考文献:
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