《工程熱力學(xué)》課堂教學(xué)中節(jié)能減排意識的培養(yǎng)

趙煒+喬芬+吉恒松+王謙

摘 要：工程熱力學(xué)是研究熱能和機(jī)械能間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科，是熱能工程及相關(guān)學(xué)科的核心基礎(chǔ)課程，學(xué)生通過學(xué)習(xí)明確本學(xué)科的研究方向和學(xué)習(xí)任務(wù)。針對能源的利用問題，在本課程的授課過程中，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能減排意識，突出提高能源利用率和節(jié)能評價(jià)方法，樹立工程觀點(diǎn)在節(jié)能減排背景下本課程的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法，為教學(xué)方法改革提供新思路。

關(guān)鍵詞：工程熱力學(xué) 節(jié)能減排 核心作用 意識培養(yǎng)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0231-03

Abstract：Engineering thermodynamicsis an important elementary course about transformation rule between heat energy and mechanical energy and the core basic curriculums of thermal power engineering and related discipline. Then， the students can explicit the research direction and leaning task about this subject. In view of energy use， the students are the key core of energy conversion and emission reduction to focus on training. In the process of teaching， energy utilization and energy conversion evaluation methods are highlight enhanced. And the engineering viewpoint can be set up in the content of course and teaching method of engineering thermodynamics in the context of energy conservation and emission reduction. Finally， this study provides a new train of thought for teaching methods.

Key Words：Engineering Thermodynamics； Energy Conservation and Emission Reduction； Core Role； Cultivating Consciousness

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)，縱觀人類的社會發(fā)展歷程，人類文明的每次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。能源的開發(fā)利用是推進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)和人類社會發(fā)展的重要因素。過去一百多年里，發(fā)達(dá)國家先后完成了工業(yè)化，消耗了大量的自然資源，尤其是能源。當(dāng)今世界，溫室效應(yīng)的危害已顯現(xiàn)，能源價(jià)格也瘋漲且儲量日趨減少[1]。顯然，為了人類的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排是必須的，要將節(jié)能減排意識貫穿社會的各方面才能有更好的收效[2]。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，我們可以采取“開源”和“節(jié)流”?！伴_源”指開發(fā)利用新能源，以減少化石燃料的使用?！肮?jié)流”就是要減少損失，即在不改變使用效果的同時(shí)，減少耗能設(shè)備的能量使用。從原理和本質(zhì)上來說，我們可以通過工程熱力學(xué)的知識點(diǎn)實(shí)現(xiàn)這兩方面，熱力學(xué)是解決節(jié)能減排的最佳工具。因此，節(jié)能減排意識的培養(yǎng)應(yīng)該作為工程熱力學(xué)教學(xué)的基本目標(biāo)。為了適應(yīng)節(jié)能減排的發(fā)展需要，現(xiàn)對工程熱力學(xué)的一些教學(xué)方法改革進(jìn)行一些探討。

1 節(jié)能減排與工程熱力學(xué)的關(guān)系

工程熱力學(xué)是能源與動力工程類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，其研究對象是熱能與其他形式能之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，尤其是熱與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用。本課程的基本目標(biāo)是通過對熱力系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，改進(jìn)和完善其工作循環(huán)，提高熱能的有效利用率及熱功轉(zhuǎn)換效率。而提高熱能的利用率，就意味著，利用相同的熱能的前提條件下，向環(huán)境排放的污染物量減少。可見，節(jié)能減排意識的培養(yǎng)應(yīng)該作為工程熱力學(xué)課程教學(xué)的基本目標(biāo)。

工程熱力學(xué)包括基本原理和基本理論在工程實(shí)際中的具體應(yīng)用兩大部分，而貫穿本課程教學(xué)的思想就是提高能量的利用率，這也構(gòu)成了節(jié)能減排的理論基礎(chǔ)。熱力學(xué)第一定律從能量的數(shù)量守恒的角度解釋了節(jié)能減排的基本原理，其是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。它闡述了熱力系與外界交換的能量在數(shù)量上是守恒的關(guān)系。既然能量是守恒的，那為什么我們還要節(jié)約能源呢，這是因?yàn)?，雖然能量是守恒的，但是有些能量是不便于被利用的，例如，物質(zhì)的熱力學(xué)能過程中耗散的能量。且我們目前所使用的煤、石油、天燃?xì)馐遣豢稍偕?，并不是取之不竭的，故要?jié)約使用。但是從數(shù)量上來實(shí)現(xiàn)節(jié)約的目的還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這就要求合理用能，提高能的品質(zhì)問題。

熱力學(xué)第二定律從品質(zhì)的角度闡述了節(jié)約一次能源的基本思路。它解決了與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程能夠進(jìn)行時(shí)的方向、條件及限度的問題。物質(zhì)不滅，但質(zhì)量在遞減；能量雖守恒，但是品質(zhì)在下降。我們不僅要在數(shù)量上實(shí)現(xiàn)節(jié)約，而且要盡可能的利用低品質(zhì)的能源。任何能量交換必須同時(shí)滿足熱力學(xué)第一定律和第二定律，第二定律從方向性上彌補(bǔ)了第一定律的不考慮過程方向性的問題。第二定律是當(dāng)代節(jié)能減排的重要基礎(chǔ)，指出在相同的能源使用效果中，如何加強(qiáng)低品質(zhì)能源的利用率，對各種工程問題具有重要的理論指導(dǎo)意義。

從工業(yè)生產(chǎn)過程來看，工科的學(xué)生應(yīng)該具備合理使用能、節(jié)約用能的意識及掌握基本的技術(shù)，而工程熱力學(xué)課程的內(nèi)容就是合理使用能和節(jié)能理論中最根本與核心的部分。

2 節(jié)能減排意識在工程熱力學(xué)教學(xué)中的培養(yǎng)endprint

為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能減排的意識，在本課程的教學(xué)過程中，應(yīng)該要重點(diǎn)突出以下5點(diǎn)。

2.1 在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，突出提高能量利用率的思想

工程熱力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容的主線是如何提高能量的利用率，其理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律和第二定律。能量在傳遞和轉(zhuǎn)換的過程中，雖然數(shù)量是守恒的，但是其質(zhì)量在不斷衰退。節(jié)能不僅要減少能量數(shù)量的使用，而更重要的是要降低質(zhì)量的衰退。

在教學(xué)過程中，要使學(xué)生建立各種不同的過程和循環(huán)來實(shí)現(xiàn)降低能量衰退，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。在課堂上積極引導(dǎo)學(xué)生的積極思維，找到能量質(zhì)量下降的根本原因，即過程中存在的一些耗散效應(yīng)，即不可逆因素。

2.2 在教學(xué)內(nèi)容上，要突出節(jié)能的評價(jià)方法及其應(yīng)用

常用的評價(jià)方法包括效率法、熵方法和方法。其中，效率法是從能量的數(shù)量角度考慮；熵和是質(zhì)量和數(shù)量的角度考慮。故我們可以利用熵和分析方法對能量的轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析達(dá)到節(jié)能的目的。在實(shí)際教學(xué)過程中，要讓學(xué)生掌握三種分析法的使用場合，具體問題具體分析，特別是從節(jié)能的方面選擇合適的能量分析方法。

燃煤發(fā)電時(shí)，效率只有40%左右，即60%左右的能量在轉(zhuǎn)換過程中以廢熱的形式消耗在了大氣環(huán)境中，如何提高其效率，是科技人員不懈的追求[3]。在這里講到提高能源的利用率的重要性，可以提高學(xué)生的責(zé)任感和使命感。

2.3 在實(shí)際教學(xué)中，突出節(jié)能理論的應(yīng)用

工程熱力學(xué)是以能量為研究對象，而能量轉(zhuǎn)換中大多數(shù)以熱能的形式存在，節(jié)能的根本要科學(xué)用能，科學(xué)性越高越節(jié)能。在實(shí)際教學(xué)過程中，要引導(dǎo)學(xué)生深入研究能耗系統(tǒng)。分析出系統(tǒng)的最合理配置，同時(shí)要研究機(jī)械能損耗過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康囊?guī)律和應(yīng)用過程及方法，通過對這些過程和規(guī)律的研究，達(dá)到能源的高利用率和污染最小化的節(jié)能減排目的[4]。在教學(xué)中，可引入提高能量利用率的措施，如再熱、回?zé)?、熱電?lián)產(chǎn)和熱電冷聯(lián)產(chǎn)等，進(jìn)一步探討節(jié)能的方法和措施?，F(xiàn)在大型的蒸汽動力裝置大部分采用回?zé)岽胧?，有時(shí)候?yàn)榱诉M(jìn)一步提高循環(huán)效率，通常將回?zé)崤c再熱同時(shí)并用，以求蒸汽動力裝置得到盡可能高的熱效率。為了充分利用乏氣的能量，可以讓蒸汽少做一些功，將較高的溫度排出汽輪機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)用能設(shè)備加以利用，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)模式。目前，有學(xué)者提出熱電冷聯(lián)產(chǎn)模式，高品位的能量用于發(fā)電，相對低品位的能量用于空調(diào)或其他工藝[5]。教師要把有利于節(jié)能減排的新產(chǎn)品、新工藝及時(shí)補(bǔ)充教學(xué)體系中，并對涉及到的主要方法和技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而使教學(xué)內(nèi)容緊跟科技發(fā)展的趨勢，同時(shí)在教學(xué)內(nèi)容上體現(xiàn)節(jié)能減排的意識培養(yǎng)。

2.4 理論聯(lián)系實(shí)際，樹立節(jié)能觀點(diǎn)

在課堂教學(xué)中，運(yùn)用實(shí)例有助于學(xué)生更好地理解本課程對于節(jié)能減排的應(yīng)用意義。通過學(xué)習(xí)本課程，我們知道熱泵是一種熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量轉(zhuǎn)換裝置[6]。雖熱泵由低溫轉(zhuǎn)到高溫是非自發(fā)的，必須消耗機(jī)械能，但熱泵的供熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所消耗的機(jī)械能。熱泵也可以節(jié)省電能，與直接用電取暖相比，采用熱泵可以節(jié)電80%以上。而且利用熱泵還能節(jié)約燃料，若生產(chǎn)和生活中需要100℃以下熱量，采用熱泵比直接采用鍋爐來供熱可節(jié)約50%的燃料。再如，在講解熱力學(xué)基本定律時(shí)，增加實(shí)例來幫助學(xué)生理解節(jié)能與熱力學(xué)基本定律之間的關(guān)系。請學(xué)生分析空調(diào)供暖與電爐取暖哪種方式更加節(jié)約能量。課堂教學(xué)中，請學(xué)生計(jì)算節(jié)約1度電可以少造成多少污染，少排放多少SO2、NO2、CO2和粉塵，還可以節(jié)約多少的凈水。如果按我校43000的大學(xué)生平均每人每學(xué)期節(jié)約1度電計(jì)算，總共可以省多少噸的煤，少造成多少的污染。通過實(shí)例計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生日常生活中的節(jié)能意識，也可以增加理論知識的趣味性，也能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

2.5 與教師的科研工作相結(jié)合起來，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能減排意識

教師的一些科研課題，如提高蒸汽動力循環(huán)效率的技術(shù)研究與應(yīng)用、火電廠排放廢氣中氮氧化物、二氧化碳的減排研究等均與節(jié)能減排技術(shù)緊密結(jié)合，在課堂教學(xué)中教師可以利用在科研中所取得的成果與心得，結(jié)合實(shí)際案例講給學(xué)生，同時(shí)可以利用畢業(yè)論文讓學(xué)生參與到課題研究中，這不僅可以鞏固學(xué)生專業(yè)知識，也培養(yǎng)了學(xué)生的興趣，重要的是理論聯(lián)系實(shí)際，更加能加深學(xué)生對節(jié)能減排的重要性和必要性的認(rèn)識與理解，從而更加有利于鞏固節(jié)能減排意識[7]。

3 結(jié)語

大學(xué)生是社會中具有較高文化層次的社會群體，其節(jié)能減排的意識直接影響著社會的環(huán)保意識的水平，對整個(gè)社會的環(huán)保氛圍有著重要的示范和引導(dǎo)作用。工程熱力學(xué)與節(jié)能之間緊密聯(lián)系，在工程熱力學(xué)教學(xué)中要重視培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能減排意識，促使他們科學(xué)用能，結(jié)合實(shí)際案例調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)踐中能不斷創(chuàng)新，在提高能源利用率的同時(shí)，開發(fā)并利用新能源，找到節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 王克群.節(jié)能減排的意義及對策[J].延邊黨校學(xué)報(bào)，2007（2）：37-39.

[2] 周娟，郭槺彬，王舫，等.基于節(jié)能減排的“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”教學(xué)方法探析[J].教育現(xiàn)代化，2016（25）：137-138.

[3] 陳占秀.論工程熱力學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課的核心作用[J].高等建筑教育，2010，19（2）：90-92.

[4] 吳晅，金光，高靖芳，等.工程熱力學(xué)教學(xué)方法改革[J].中國冶金教育，2014（4）：24-25.

[5] 董韶峰，董少龍，彭惠蘭.《工程熱力學(xué)》教學(xué)中的節(jié)能環(huán)保教育[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)：社科版，2011， 27（4）：174-175.

[6] 華自強(qiáng)，張忠進(jìn)，高青，等.工程熱力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2012.

[7] 劉均榮.在石油工程專業(yè)課教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生“節(jié)能減排意識”[J].中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22（1）：80-81.endprint