高职高专热力学第二定律讲解方法的探究

郑福珍 王全福

黑龙江建筑职业技术学院 哈尔滨 150028

热工学理论基础是供热与通风空调工程技术专业主要的专业基础课程，是为后续专业课的学习提供必要理论基础的学科。热力学第二定律在专业领域应用中比较广泛，是在教学过程中应该注重加强的应用性课程内容。这部分内容理论性很强，而高职高专学生普遍存在基础差、课时少、课程内容多等特点，因此理论讲解很容易使学生感到枯燥无味，从而产生厌学情绪。

结合目前热工学教学方法研究[1-2]，本文根据热力学第二定律内容，结合高职高专学生的特点，就如何让学生学好热力学第二定律并能较好地服务于专业课程，谈一些教学经验和结果。

1 合理提炼教学内容

高职高专院校的学生与本科院校的学生培养目标不同，他们今后接触更多的是工程技术中应用性、实践性比较强的工作和问题，理论研究很少。因此，在专业基础课教学内容的选择上要分清主次、合理提炼、适当取舍。在教学实践中，应把专业基础课的重点放在应用性强的内容上进行讲授，适当降低理论基础的深度，大胆舍去理论性强而实际工作中应用有限的内容，如克劳修斯积分式、孤立系统熵增原理等。

热力学第二定律这部分内容在生产实际中应用很广泛，而且是高职高专学生在将来学习、工作中经常要接触应用到的知识，因此，教师在教学中必须加强学生对该知识点的掌握和理解。

2 联系实际的教学引导

学习的兴趣是学生积极思考的前提，更是达到成功教学目的的关键。如何在教学开始前进行恰当而又能激发学生兴趣的引导，是每次课成功讲述的前提。如果能在教学过程中，适时巧妙地将理论讲解和实际生活联系起来，必能极大地激发学生学习的兴趣和动力，让学生能更充分地参与进来，成为学习的主体，激发出学习兴趣。所以在实际教学中，教师可以在讲解理论之前提出几个实际生活中存在的相关问题，这样既可以吸引学生的注意力，还能激发他们联系相关理论的兴趣，更能加深学生对相关理论的理解和应用能力。

在热力学第二定律讲解前，提出问题，如：水是否可以自发地由低处流向高处？热量是否可以自发地由低温传向高温？答案很简单，问题继续引出：如果想要实现它们的逆过程应该怎么办？让学生结合实际生活说说逆过程的应用。学生非常积极地回答,说出很多应用实例，如：从水井中用水泵抽水；夏季空调房间的温度低于室外环境的温度；冰箱内的温度低于室内温度；等等。学生的充分参与和思考，大大激发了学习兴趣。

3 服务专业的教学理念

专业基础课是为高职高专学生学习专业课服务的，高深的逻辑理论推导并不会直接服务于专业，所以教学过程中联系好专业课讲解，会使学生对理论知识具有更深刻的理解和具体的认识，也为后续专业课学习打下坚实基础。

图1 蒸汽压缩式制冷系统

图2 火力发电系统

热力学第二定律与后续专业课学习联系密切，授课过程中，先用图示法（图1、图2）为学生讲解蒸汽压缩式制冷系统及火力发电系统原理并提出问题：“为什么有相当多的热量要在凝汽器中散给冷却水？全部用来转化为汽轮机的机械能可不可以？”“要想实现从低温的冷藏室中把热量不断地取出释放给高温的冷却水，自发过程不能实现，想要实现怎么办？”学生结合原理和问题，很容易得出冷藏室温度低于冷却水的温度，热量不能自发地由低温冷藏室传向高温冷却水，要想实现这个非自发过程必须有一个补偿条件，即压缩机产生的机械能转化为热能的自发过程。热能不能无条件地全部转化为机械能，锅炉中水获得热量变成蒸汽，蒸汽不可能把获得热量全部转化成汽轮机旋转的机械能，必须伴有一个补偿过程，即凝汽器内高温乏汽向低温冷却水的自发散热过程。

通过这样的讲解，学生很容易得出：自发过程具有不可逆性，但并不是意味着自发过程的逆过程不能实现，这种自发过程的逆过程是可以实现的，但是它的进行是有条件的，也就是必须有另外的补偿过程同时发生。例如使热量由低温物体传向高温物体的非自发过程，可以通过消耗机械能转化为热能的自发条件补偿来实现；热能转化为机械能也是一个非自发过程，但是可以通过使一部分热量自发的从热源流向冷源这一自发过程的补偿，热能就可以转化为机械能。可以得出：非自发过程进行的条件是有一个自发过程与之同时进行，如图3所示。

图3 自发过程与非自发过程的关系

4 结合专业回归理论

根据蒸汽压缩式制冷系统及火力发电系统原理回归热力学第二定律的内容讲解。热力学第二定律的两种经典描述：1）德国科学家克劳修斯（Clausius）在1865年提出，“不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化”；2）开尔文于1851年提出，“不可能制造只从一个热源取热使之完全转换为机械功而不引起其他变化的循环发动机”[3]。根据两种描述可以看出热力学第二定律并不是很直接，学生很难理解掌握，具有抽象性强、记忆困难的特点。

对这两种描述进行简单变形，克劳修斯描述可以变化为“要想把热量从低温物体传到高温物体必然引起其他变化”；开尔文描述可以变化为“要想制造出只从一个热源取热使之完全转换为机械功的循环发动机必然引起其他变化”。简单变化之后，热力学第二定律的难点落在到底引起什么样的变化，结合刚刚讲过的蒸汽压缩式制冷系统及火力发电系统原理，学生很容易提炼得出结论，即蒸汽压缩式制冷系统引起的变化是增加了压缩机对系统的做功，火力发电系统引起的变化是系统部分热量散给外界环境。

5 小结

综上所述，通过热力学第二定律的讲解经验，可以得出高职高专专业基础课教学改革应不断探索一系列行之有效的教学方法，努力提高学生学习的热情和兴趣，引导学生在实践中充分运用知识，为今后的职业生涯打下坚实的基础。

[1]黄凯旋,刘建华.《热工学》教学改革的尝试[J].集美大学学报:教育科学版,2001(3).

[2]邹玲,黎爱纯.热工实验教学改革的实践与探讨[J].实验室研究与探索,2000(4):40-41.

[3]刘学来,宋永军,金洪文.热工学理论基础[M].北京:中国电力出版社,2008.