高職高專熱力學(xué)第二定律講解方法的探究

鄭福珍 王全福

黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 哈爾濱 150028

熱工學(xué)理論基礎(chǔ)是供熱與通風(fēng)空調(diào)工程技術(shù)專業(yè)主要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供必要理論基礎(chǔ)的學(xué)科。熱力學(xué)第二定律在專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中比較廣泛，是在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該注重加強(qiáng)的應(yīng)用性課程內(nèi)容。這部分內(nèi)容理論性很強(qiáng)，而高職高專學(xué)生普遍存在基礎(chǔ)差、課時(shí)少、課程內(nèi)容多等特點(diǎn)，因此理論講解很容易使學(xué)生感到枯燥無(wú)味，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

結(jié)合目前熱工學(xué)教學(xué)方法研究[1-2]，本文根據(jù)熱力學(xué)第二定律內(nèi)容，結(jié)合高職高專學(xué)生的特點(diǎn)，就如何讓學(xué)生學(xué)好熱力學(xué)第二定律并能較好地服務(wù)于專業(yè)課程，談一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果。

1 合理提煉教學(xué)內(nèi)容

高職高專院校的學(xué)生與本科院校的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)不同，他們今后接觸更多的是工程技術(shù)中應(yīng)用性、實(shí)踐性比較強(qiáng)的工作和問(wèn)題，理論研究很少。因此，在專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)內(nèi)容的選擇上要分清主次、合理提煉、適當(dāng)取舍。在教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)把專業(yè)基礎(chǔ)課的重點(diǎn)放在應(yīng)用性強(qiáng)的內(nèi)容上進(jìn)行講授，適當(dāng)降低理論基礎(chǔ)的深度，大膽舍去理論性強(qiáng)而實(shí)際工作中應(yīng)用有限的內(nèi)容，如克勞修斯積分式、孤立系統(tǒng)熵增原理等。

熱力學(xué)第二定律這部分內(nèi)容在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用很廣泛，而且是高職高專學(xué)生在將來(lái)學(xué)習(xí)、工作中經(jīng)常要接觸應(yīng)用到的知識(shí)，因此，教師在教學(xué)中必須加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解。

2 聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)引導(dǎo)

學(xué)習(xí)的興趣是學(xué)生積極思考的前提，更是達(dá)到成功教學(xué)目的的關(guān)鍵。如何在教學(xué)開(kāi)始前進(jìn)行恰當(dāng)而又能激發(fā)學(xué)生興趣的引導(dǎo)，是每次課成功講述的前提。如果能在教學(xué)過(guò)程中，適時(shí)巧妙地將理論講解和實(shí)際生活聯(lián)系起來(lái)，必能極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，讓學(xué)生能更充分地參與進(jìn)來(lái)，成為學(xué)習(xí)的主體，激發(fā)出學(xué)習(xí)興趣。所以在實(shí)際教學(xué)中，教師可以在講解理論之前提出幾個(gè)實(shí)際生活中存在的相關(guān)問(wèn)題，這樣既可以吸引學(xué)生的注意力，還能激發(fā)他們聯(lián)系相關(guān)理論的興趣，更能加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的理解和應(yīng)用能力。

在熱力學(xué)第二定律講解前，提出問(wèn)題，如：水是否可以自發(fā)地由低處流向高處？熱量是否可以自發(fā)地由低溫傳向高溫？答案很簡(jiǎn)單，問(wèn)題繼續(xù)引出：如果想要實(shí)現(xiàn)它們的逆過(guò)程應(yīng)該怎么辦？讓學(xué)生結(jié)合實(shí)際生活說(shuō)說(shuō)逆過(guò)程的應(yīng)用。學(xué)生非常積極地回答,說(shuō)出很多應(yīng)用實(shí)例，如：從水井中用水泵抽水；夏季空調(diào)房間的溫度低于室外環(huán)境的溫度；冰箱內(nèi)的溫度低于室內(nèi)溫度；等等。學(xué)生的充分參與和思考，大大激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

3 服務(wù)專業(yè)的教學(xué)理念

專業(yè)基礎(chǔ)課是為高職高專學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課服務(wù)的，高深的邏輯理論推導(dǎo)并不會(huì)直接服務(wù)于專業(yè)，所以教學(xué)過(guò)程中聯(lián)系好專業(yè)課講解，會(huì)使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)具有更深刻的理解和具體的認(rèn)識(shí)，也為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1 蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)

圖2 火力發(fā)電系統(tǒng)

熱力學(xué)第二定律與后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)聯(lián)系密切，授課過(guò)程中，先用圖示法（圖1、圖2）為學(xué)生講解蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及火力發(fā)電系統(tǒng)原理并提出問(wèn)題：“為什么有相當(dāng)多的熱量要在凝汽器中散給冷卻水？全部用來(lái)轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)的機(jī)械能可不可以？”“要想實(shí)現(xiàn)從低溫的冷藏室中把熱量不斷地取出釋放給高溫的冷卻水，自發(fā)過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)，想要實(shí)現(xiàn)怎么辦？”學(xué)生結(jié)合原理和問(wèn)題，很容易得出冷藏室溫度低于冷卻水的溫度，熱量不能自發(fā)地由低溫冷藏室傳向高溫冷卻水，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)非自發(fā)過(guò)程必須有一個(gè)補(bǔ)償條件，即壓縮機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的自發(fā)過(guò)程。熱能不能無(wú)條件地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，鍋爐中水獲得熱量變成蒸汽，蒸汽不可能把獲得熱量全部轉(zhuǎn)化成汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，必須伴有一個(gè)補(bǔ)償過(guò)程，即凝汽器內(nèi)高溫乏汽向低溫冷卻水的自發(fā)散熱過(guò)程。

通過(guò)這樣的講解，學(xué)生很容易得出：自發(fā)過(guò)程具有不可逆性，但并不是意味著自發(fā)過(guò)程的逆過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)，這種自發(fā)過(guò)程的逆過(guò)程是可以實(shí)現(xiàn)的，但是它的進(jìn)行是有條件的，也就是必須有另外的補(bǔ)償過(guò)程同時(shí)發(fā)生。例如使熱量由低溫物體傳向高溫物體的非自發(fā)過(guò)程，可以通過(guò)消耗機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的自發(fā)條件補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)；熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能也是一個(gè)非自發(fā)過(guò)程，但是可以通過(guò)使一部分熱量自發(fā)的從熱源流向冷源這一自發(fā)過(guò)程的補(bǔ)償，熱能就可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。可以得出：非自發(fā)過(guò)程進(jìn)行的條件是有一個(gè)自發(fā)過(guò)程與之同時(shí)進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 自發(fā)過(guò)程與非自發(fā)過(guò)程的關(guān)系

4 結(jié)合專業(yè)回歸理論

根據(jù)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及火力發(fā)電系統(tǒng)原理回歸熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容講解。熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典描述：1）德國(guó)科學(xué)家克勞修斯（Clausius）在1865年提出，“不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化”；2）開(kāi)爾文于1851年提出，“不可能制造只從一個(gè)熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為機(jī)械功而不引起其他變化的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)”[3]。根據(jù)兩種描述可以看出熱力學(xué)第二定律并不是很直接，學(xué)生很難理解掌握，具有抽象性強(qiáng)、記憶困難的特點(diǎn)。

對(duì)這兩種描述進(jìn)行簡(jiǎn)單變形，克勞修斯描述可以變化為“要想把熱量從低溫物體傳到高溫物體必然引起其他變化”；開(kāi)爾文描述可以變化為“要想制造出只從一個(gè)熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)必然引起其他變化”。簡(jiǎn)單變化之后，熱力學(xué)第二定律的難點(diǎn)落在到底引起什么樣的變化，結(jié)合剛剛講過(guò)的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)及火力發(fā)電系統(tǒng)原理，學(xué)生很容易提煉得出結(jié)論，即蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)引起的變化是增加了壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)的做功，火力發(fā)電系統(tǒng)引起的變化是系統(tǒng)部分熱量散給外界環(huán)境。

5 小結(jié)

綜上所述，通過(guò)熱力學(xué)第二定律的講解經(jīng)驗(yàn)，可以得出高職高專專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)改革應(yīng)不斷探索一系列行之有效的教學(xué)方法，努力提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和興趣，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中充分運(yùn)用知識(shí)，為今后的職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]黃凱旋,劉建華.《熱工學(xué)》教學(xué)改革的嘗試[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào):教育科學(xué)版,2001(3).

[2]鄒玲,黎愛(ài)純.熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐與探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2000(4):40-41.

[3]劉學(xué)來(lái),宋永軍,金洪文.熱工學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.