工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)教學(xué)方法探索

李光霽

[摘 要]“工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)”是一門(mén)研究熱能的利用和傳熱規(guī)律的課程，概念繁多，理論性較強(qiáng)。為了激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，該論文結(jié)合作者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出了以下兩個(gè)觀點(diǎn)：第一，用現(xiàn)實(shí)的工程問(wèn)題啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)熱力學(xué)的基本理論，使學(xué)生能利用基本理論解決和日常生活密切相關(guān)的問(wèn)題。第二，工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容都與熱能有關(guān)，但是側(cè)重點(diǎn)不同，將兩者的相關(guān)概念進(jìn)行對(duì)比講解，有助于學(xué)生加深對(duì)要掌握的知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶。

[關(guān)鍵詞]工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)；教學(xué)方法；課程改革

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）05-0071-03

工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)是過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)核心課程之一，它與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合得非常緊密， 對(duì)實(shí)際工程實(shí)踐中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化和具體化形成的理論體系[1]。這門(mén)課程主要有以下特點(diǎn)：相關(guān)概念特別多， 如[籽] [用]可以分為熱量[籽] [用]、冷量[籽] [用]、物質(zhì)[籽] [用]、功源[籽] [用]等，而功源[籽] [用]又可分為電力[籽] [用]、水力[] [用]、風(fēng)力[籽] [用]、地力[籽] [用]、波浪[籽] [用]等；濕空氣熱力過(guò)程可分為加熱或冷卻、絕熱加濕、冷卻去濕和增壓冷凝過(guò)程等。另外，部分概念、定義較為抽象， 如自由能、自由焓、化學(xué)位、活度、相平衡等概念，學(xué)生對(duì)這些概念和定義往往一知半解、似懂非懂， 進(jìn)而產(chǎn)生學(xué)習(xí)畏難情緒。激發(fā)并培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是教學(xué)成功的重要環(huán)節(jié)。如何結(jié)合本課程特點(diǎn)，利用不同教學(xué)方式有效調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，筆者進(jìn)行了以下改革探索。

一是舉一些生活中與熱力相關(guān)的物理現(xiàn)象做例子，并用熱力學(xué)知識(shí)給予生動(dòng)的講解，使學(xué)生聽(tīng)課時(shí)能集中注意力。用現(xiàn)實(shí)的工程問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)積極地分析問(wèn)題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與工程師思維能力。比如在講熵的概念時(shí)筆者提出問(wèn)題：物體的溫度升高一定會(huì)吸收熱量嗎？大部分學(xué)生認(rèn)為一定吸熱，然后筆者就引入熵的相關(guān)知識(shí)來(lái)解答。用這種方法，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又加深了學(xué)生對(duì)熵的理解。

二是及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)之前學(xué)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生明確之前的知識(shí)點(diǎn)和新知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，提升其學(xué)習(xí)效果。如前所述，工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)生很難在短期內(nèi)掌握這些知識(shí)點(diǎn)，而新的內(nèi)容又來(lái)了，尤其面對(duì)大量專業(yè)術(shù)語(yǔ)時(shí)學(xué)生更是一頭霧水，這樣日積月累學(xué)生就會(huì)逐漸失去對(duì)工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，更不用說(shuō)學(xué)習(xí)信心。這往往是很多機(jī)械工程專業(yè)的普遍問(wèn)題。因此，工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)課程應(yīng)該上慢一點(diǎn)，每堂課都要上實(shí)，在上新內(nèi)容時(shí)要及時(shí)回顧前面學(xué)過(guò)的有關(guān)知識(shí)和概念，幫助學(xué)生明確新舊知識(shí)的聯(lián)系并加深其理解。比如筆者在講授余隙容積前先給學(xué)生復(fù)習(xí)之前上過(guò)的公差配合及工藝的知識(shí)，這樣學(xué)生就會(huì)比較容易接受余隙容積的概念，從而真正掌握余隙容積對(duì)壓縮機(jī)的實(shí)際影響。

三是用統(tǒng)計(jì)學(xué)觀點(diǎn)探討過(guò)程的不可逆性，用熵的熱力學(xué)第二定律研究過(guò)程進(jìn)行的方向性。在講解這一定律時(shí)，為了讓學(xué)生從根本上理解它，筆者用微觀統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行闡述，以氣體自由膨脹為例，將容器分成容積相等的A、B兩部分，并將不同顏色的4個(gè)氣體分子放到容器中。4個(gè)分子最初都集中在容器的A部，把隔板抽出后不同顏色的4個(gè)分子會(huì)向容器的B部擴(kuò)散并在容器內(nèi)做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，不同顏色的4個(gè)分子在容器中所有可能的分布情形如下：4個(gè)分子都在A部；3個(gè)分子在A部，1個(gè)分子在B部；2個(gè)分子在A部，2個(gè)分子在B部；1個(gè)分子在A部，3個(gè)分子在B部；4個(gè)分子都在B部。每種宏觀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)分別為1種、4種、6種、4種、1種，共有24=16種可能的方式，以均勻分布的微觀態(tài)數(shù)最多，對(duì)于實(shí)際氣體分子N～1023/mol，全部聚于容器A部的概率為1/2[1023]，發(fā)生的可能性為零。以上分析很好地解釋了熱力學(xué)第二定律中機(jī)械能會(huì)自發(fā)地100%轉(zhuǎn)化成熱能，而熱能不會(huì)自發(fā)地100%轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。雜亂運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)多于有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的微觀態(tài)數(shù)[1]。分子的這種方向性正是從較高品質(zhì)位能向較低品質(zhì)位能轉(zhuǎn)化的。由于機(jī)械能能質(zhì)高于熱能能質(zhì)，而機(jī)械運(yùn)動(dòng)總是存在摩擦，機(jī)械能總是會(huì)有一部分自發(fā)地轉(zhuǎn)化成熱能，而熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能則不能自發(fā)實(shí)現(xiàn)。此種教學(xué)方法能使學(xué)生真正理解熱力學(xué)第二定律的自發(fā)性和方向性。

四是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用第一定律理論解決學(xué)習(xí)和生活中遇到的相關(guān)問(wèn)題。工程熱力學(xué)理論性較強(qiáng)，涉及的公式繁多，學(xué)生普遍感到枯燥難學(xué)，和自己的生活聯(lián)系不緊密。針對(duì)這種情況，教師上課時(shí)要多準(zhǔn)備一些和日常生活密切相關(guān)的例子，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。比如很多學(xué)生學(xué)了熱力學(xué)第一定律以后覺(jué)得沒(méi)有什么用，筆者就列舉了兩個(gè)與電冰箱相關(guān)的問(wèn)題，然后用第一定律來(lái)解答。例題1：一臺(tái)電冰箱放在門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)，打開(kāi)冰箱的大門(mén)就有一股涼氣撲面而來(lái)，那么能否通過(guò)敞開(kāi)冰箱大門(mén)降低室內(nèi)溫度？門(mén)窗緊閉的房間視為與外界沒(méi)有熱量交換，可看作是絕熱閉口系。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的電冰箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有電功輸入系統(tǒng)，即W為負(fù)值。根據(jù)閉口系能量方程0=△U+W，△U為正值，即溫度會(huì)升高，因而不能達(dá)到降溫的目的。例題2：門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)安裝空調(diào)器后，為啥能起到制冷的作用？房間內(nèi)安裝空調(diào)，雖然門(mén)窗仍然緊閉，但是由于空調(diào)器安裝在窗上，通過(guò)邊界向大氣環(huán)境散熱，此時(shí)的房間不再是絕熱的，而是向外界放熱，所以Q為負(fù)值。室內(nèi)空調(diào)器仍舊有電功W輸入系統(tǒng)，W為負(fù)值。只要Q的絕對(duì)值大于W的絕對(duì)值，使△U<0就可以使室內(nèi)空氣溫度降低。這樣用生活實(shí)例開(kāi)展教學(xué)可以極大增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)理論的理解，取得很好的教學(xué)效果。

五是講透基本概念，幫助學(xué)生深度理解。工程熱力學(xué)涉及很多基本概念，對(duì)這些基本概念的深刻理解是學(xué)好這門(mén)課的前提和基礎(chǔ)，如何講好基本概念成為教師首先要思考和解決的問(wèn)題。我們上課的時(shí)候要盡量避免就概念講概念，而是要注重講解概念與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)系和聯(lián)系，從生活常見(jiàn)現(xiàn)象中引出問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生能積極主動(dòng)地思考，提高授課的效果。比如在講授熱力平衡的時(shí)候要反反復(fù)復(fù)強(qiáng)調(diào)三點(diǎn)：系統(tǒng)與外界沒(méi)有相互作用；系統(tǒng)內(nèi)沒(méi)有勢(shì)差（溫度差和壓力差）；系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化而變化。學(xué)生通常能理解第三點(diǎn)，而對(duì)第一、第二兩點(diǎn)總是忽略。針對(duì)這種情況，筆者舉了一個(gè)例子：一根鐵棒，一端在冰水混合物中，另一端在沸水中，一段時(shí)間后，鐵棒會(huì)處于平衡態(tài)嗎？ [2]通過(guò)教師對(duì)例題的講解分析，學(xué)生真正理解掌握了這個(gè)概念。

再比如學(xué)生問(wèn)：為什么閉口系統(tǒng)能量方程式能用到開(kāi)口系統(tǒng)中？因?yàn)榉€(wěn)態(tài)流動(dòng)是一個(gè)開(kāi)口系統(tǒng)，但是進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量和離開(kāi)系統(tǒng)的質(zhì)量相等，系統(tǒng)內(nèi)部質(zhì)量保持恒定，所以穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)是可以應(yīng)用閉口系統(tǒng)的能量方程式。還有的學(xué)生從《蒸汽動(dòng)力循環(huán)》一章中提到這個(gè)問(wèn)題：乏汽從汽輪機(jī)流出，在凝汽器中放熱后重新進(jìn)入鍋爐循環(huán)，如果乏汽不在凝汽器中對(duì)外放熱而是直接進(jìn)入鍋爐，是不是比較節(jié)能？從理論上看這種假設(shè)的確節(jié)能，但是不具有可行性?？梢杂脽崃W(xué)第二定律對(duì)此做出解釋：如果乏汽不在凝汽器中對(duì)外放熱而是直接進(jìn)入鍋爐，就變成單一熱源做功，根據(jù)開(kāi)爾文的說(shuō)法，這種單一熱源循環(huán)做功是不可能實(shí)現(xiàn)的。這兩個(gè)問(wèn)題很具有典型性和代表性，通過(guò)這樣的啟發(fā)和引導(dǎo)，鍛煉了學(xué)生思維的批判性和發(fā)散性，這比起只向?qū)W生灌輸知識(shí)、學(xué)生又只是一知半解的效果好多了。

六是用比較的方法講授工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容。工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容都與熱能有關(guān)，工程熱力學(xué)側(cè)重于研究熱能和其他形式能間的相互轉(zhuǎn)換以及能量與物質(zhì)特性之間的關(guān)系，這些能量轉(zhuǎn)換要服從熱力學(xué)基本定律，轉(zhuǎn)換過(guò)程要借助特定工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也需要通過(guò)各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)。因此研究工質(zhì)的熱力性質(zhì)，對(duì)能量裝置的能量衡算在熱力學(xué)教學(xué)中顯得至關(guān)重要，而傳熱學(xué)主要研究熱能傳遞的規(guī)律。

應(yīng)該指出的是，傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)中均有很多知識(shí)點(diǎn)與高中物理熱學(xué)部分的知識(shí)有一定的聯(lián)系，如工程熱力學(xué)中有功與熱量，傳熱學(xué)中熱量傳遞有三種基本方式（傳熱、對(duì)流與熱輻射）等，其概念相同但其物理意義卻不同，很容易使學(xué)生發(fā)生混淆。如高中物理中功的定義式是力乘以沿力的方向上發(fā)生的位移，而在工程熱力學(xué)中討論氣體做功，力不是恒定值，在力的方向上產(chǎn)生的位移不容易確定。可見(jiàn)，在工程熱力學(xué)中用的是氣體的體積變化功公式，而對(duì)熱量傳遞的研究，傳熱學(xué)要比物理學(xué)的相關(guān)內(nèi)容深入得多，然后進(jìn)一步闡述三種熱傳遞方式在換熱器中的綜合應(yīng)用。將相同概念不同含義的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比講解，有助于加深學(xué)生對(duì)要掌握的知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶。

本門(mén)課程的研究方法主要有宏觀和微觀兩種方法，而將這些研究方法用來(lái)處理實(shí)際問(wèn)題時(shí)，必須抽出問(wèn)題的共性及主要矛盾，而略去細(xì)節(jié)和次要矛盾。例如將高溫氣體視為理想氣體，將高溫?zé)煔饧按髿猸h(huán)境視為恒溫?zé)嵩?，在分析各種循環(huán)時(shí)，把實(shí)際上都是不可逆的過(guò)程理想化為可逆過(guò)程，然后再按照實(shí)際中的不可逆程度予以校正。這些思維模式對(duì)于學(xué)好該課程都是非常重要的。因此在講解相關(guān)知識(shí)內(nèi)容時(shí)，要用比較的方法將實(shí)際問(wèn)題與理想化設(shè)想進(jìn)行有效對(duì)比，這樣有助于學(xué)生明確所研究?jī)?nèi)容的脈絡(luò)，減少困擾，加深理解。

傳熱學(xué)與工程熱力學(xué)均對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行了相關(guān)的分析和計(jì)算，而且都用到熱平衡方程。此外，工程熱力學(xué)還分析了傳熱的方向性，而傳熱學(xué)側(cè)重于對(duì)傳熱中流體溫度分布情況及傳熱壁面內(nèi)溫度分布的闡述以及對(duì)傳熱量的計(jì)算[3]，對(duì)于這方面的知識(shí)在講解時(shí)也有必要講清楚其關(guān)聯(lián)性。

七是利用多媒體技術(shù)形象化展示知識(shí)點(diǎn)，提高教學(xué)的趣味性。改變傳統(tǒng)工程熱力學(xué)比較刻板、晦澀的印象，關(guān)鍵是要改變以往填鴨式教學(xué)方式。在授課過(guò)程中筆者積極采用PowerPoint、Flash 等多媒體制作軟件， 借助多媒體技術(shù)將工程熱力學(xué)課程的許多工程實(shí)際問(wèn)題制作成Flash短片，以講故事的方式把相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，更生動(dòng)、直觀地體現(xiàn)熱力學(xué)在其中的應(yīng)用，這樣既有助于將教學(xué)重難點(diǎn)講清楚講透徹， 又可以活躍課堂氣氛，營(yíng)造師生積極互動(dòng)的課堂氛圍， 同時(shí)向?qū)W生傳遞大量的信息。

在授課時(shí)筆者還將最新的學(xué)術(shù)進(jìn)展情況融入課程授課之中，既可以加深學(xué)生對(duì)學(xué)術(shù)前沿的了解，又開(kāi)闊了學(xué)生的眼界。比如在講授熱泵循環(huán)和制冷循環(huán)的時(shí)候，先給學(xué)生講解它們的工作原理及能量方程，再給學(xué)生講解相關(guān)水源熱泵的知識(shí)。水源熱泵利用的是地能（包括土壤或地表水、地下水等），是一種既能供熱又能制冷的高效的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。水源熱泵就是通過(guò)少量高品位能源（例如電能）的輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能的轉(zhuǎn)移。地能既可以在冬季作為熱泵供暖，又可以在夏季作為空調(diào)的制冷源。筆者通過(guò)對(duì)水源的講解，讓學(xué)生理解并掌握制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)的工作原理，從而對(duì)熱力學(xué)第二定律有了更為深刻的認(rèn)識(shí)和理解。

八是講解兩大定律背后的科學(xué)史，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)探索的興趣。工程熱力學(xué)的兩大理論支柱是熱力學(xué)第一定律和第二定律，這兩大理論在教學(xué)過(guò)程中占有很重要的位置。這兩大定律的形成和科學(xué)史的發(fā)展密切相關(guān)，有一些概念（如熵等）還被很廣泛地應(yīng)用到其他學(xué)科中。為了讓學(xué)生深入地理解并能熟練運(yùn)用，避免在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生厭學(xué)情緒，授課時(shí)筆者嘗試增加了相關(guān)的科學(xué)史知識(shí)。例如在講授熱力學(xué)第一定律時(shí)介紹“熱動(dòng)說(shuō)”與“熱素說(shuō)”的爭(zhēng)論[4-5]，以及許多科學(xué)家如倫福德、戴維、牛頓和卡諾等在反駁并推翻“熱素說(shuō)”、最終確定“熱動(dòng)說(shuō)”的貢獻(xiàn)。在講授熱力學(xué)第二定律時(shí)筆者增加了“熱寂說(shuō)”的相關(guān)知識(shí)。這樣既增加了授課的趣味性，也拓寬了學(xué)生的知識(shí)面。

教學(xué)始終是高等學(xué)校教育的中心，也是教師的本職工作，需要教師認(rèn)真地對(duì)待。要使學(xué)生從難學(xué)、苦學(xué)轉(zhuǎn)變成好學(xué)、樂(lè)學(xué)，還有待于教師在實(shí)踐中進(jìn)一步探索。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]