逻辑推理在《工程热力学》教学中的应用

蒋润花 尹辉斌 陈佰满 黄斯珉 郭晓娟

(东莞理工学院 能源与化工系，广东东莞 523808)

《工程热力学》是能源动力工程专业的专业基础课，主要研究热能与其他能量形式间相互转换以及能量的有效释放，特别是热能转化为机械能的规律和方法，以及提高转化效率的途径，提高能源利用的经济性。热力学研究分为宏观研究和微观研究，工程热力学主要应用热力学宏观研究方法，以热力学第一定律、第二定律等基本定律为基础，针对具体问题采用抽象、概括、理想化和简化的方法，建立分析模型，推导出一系列公式，得到若干重要结论。该课程培养学生运用热力学的定律和有关的理论知识，对热力过程进行热力学分析的基本能力，是后续其他专业课程的学习的必要基础。由于该课程理论性强、公式多，死记硬背是比较困难，本文探讨逻辑推理在《工程热力学》中的应用，优化教学内容，结合类比法，从学生已有的知识基础出发，鼓励学生动脑，推导相关公式，掌握工程热力学基本理论，并能应用到具体工程实际案例［1－2］。

1 《工程热力学》课程特点

教材是教师和学生之间的重要桥梁，选择合适的教材对教学有重要指导意义。为了适应学校关于能源与动力工程专业的培养目标和教学要求，选用了沈维道、童钧耕主编的《工程热力学》第四版作为能源与动力工程专业教材。其主要内容包括热力学基本概念与基本定律，如热力系统、状态参数、平衡态、热力学第一定律、第二定律等;能量转化过程特别是热能转化为机械能，是由工质的吸热、膨胀、排热等状态变化工程实现的，常用工质性质等。

工程热力学的理论性强，概念很抽象，公式多，应用条件复杂，如果在教学过程中不能很好解决这些问题，学生学习起来很枯燥，困难很大。在学习《工程热力学》过程中需要学生把握课程的主要线索，研究热能转化为机械能的规律、方法以及怎么提高转化效率和热能利用的经济性，在深刻理解基本概念的基础上运用抽象简化的方法抽出各种具体问题的本质，应用热力学基本定理和基本方法进行分析研究［3］。

2 逻辑推理在课程中的应用

2.1 课程教学内容优化

在工程热力学课程教学上面需要结合所学专业的特点，根据教材目录对所需掌握内容，优化调整课程教学内容。热能与机械能相互转换规律是工程热力学研究的主要内容，整个课程内容分为两个部分，理论基础和工程应用。基础理论部分把基本概念、热力学基本定律、工质性质和热力过程有机结合在一起，在理论基础上对工程应用实际热力过程和热力循环进行热力性能研究和分析。工程热力学贯穿的主线是热力学第一定律和第二定律，热力学第一定律从数量上揭示能量守恒和转换定律，热力学第二定律解决了能量传递或转化时的方向、条件和限度等问题的规律。热力学第一、第二定律两个定律相互独立同时又相互依存，共同构成了热力学的理论基础［4－5］。

在讲授内容上，把握热力学第一定律、第二定律这条主线，把讲授内容分为理论基础和工程应用两大块，合理安排讲授时间，对于重点和难点内容需要安排多点时间，比如，热力系统的选择是学生刚开始学习工程热力学最头痛问题，如果热力系统选择不合理，导致整个热力过程分析都会有误。因此，需要多讲几个例题，让学生学会选择合适的热力学系统，为工程热力学下一步学习打下坚实的基础［6］。

2.2 逻辑推理的应用

逻辑推理是用既得的知识推出新知识，一般是首先提供事实，使得人们在这些事实或自己感性认识的基础上进行逻辑推理，推出未知的事物或结论，是一种由已知的判断获得新的判断，从而增长新的知识的思维活动。它广泛应用于数学中，数学中任何一个新命题的产生和问题的解决都依赖于逻辑推理。工程热力学公式推导比较多，学生如果死记硬背，太痛苦。因为学生不理解公式的来源，在解题和应用过程很困难。本文把逻辑推理引到工程热力学教学中，引导学生从基本概念和已有的知识出发，不再走“重公式，轻推导”模式，鼓励学生自己动手推导，这样，既大大激发学生的学习兴趣，又培养学生抽象思维能力，熟悉一般实际工程问题的模型建立方法，学会对复杂的物理现象进行分析［7］。

在热力学第一定律教学中，主要是基本能量方程式的推导，根据学生以前所学的知识，热力学第一定律主要是能量守恒定律，即:进入系统的能量－离开系统的能量=系统能量的变化量。对于闭口系统，无质量交换，只有能量交换。进入系统的能量只包括热量Q，离开系统的能量只包括做功W，系统能量的变化量只包括内能的变化量ΔU，因此可以推导出闭口系统能量守恒方程为:Q－W=ΔU。对于开口系统，既有质量交换又有能量交换，因此进入离开系统的能量包括随同物质带进带出系统的能量。进入系统的能量包括随质量带进系统的能量δmin(h+gz+1/2c2)in、进入系统的热量δQ;离开系统的能量包括随质量流出系统的能量δmout(h+gz+1/2c2)out、系统对外所做的功δWi;系统能量变化量为dEcv;因此推导开口系统能量守恒方程为:δQ+δmin(h+gz+1/2c2)in－δWi－δmout(h+gz+1/2c2)out=dEcv。

在热力学第二定律教学中类似有熵方程的推导，为过程进行指明了方向。熵包括熵流sf和熵产sg，熵流是系统与外界换热引起的系统熵变，可正、可负、可为零，视系统吸热、放热还是绝热而定;熵产为过程不可逆因素造成的，且大于等于零。热力学第二定律中的熵并不守恒，在热力学过程中存在不可逆因素，导致熵是增加的，即增加熵产，类比热力学第一定律，可以得出过程熵变化规律:进入系统的熵－离开系统的熵+过程熵产=系统熵的变化量。对于闭口系统，进入系统的熵为热量传入带进的熵流Sf，离开系统的熵为零，过程因为不可逆因素产生的熵产Sg，系统熵的变化量为ΔS，因此可以推导出闭口系统熵方程为:ΔS=Sf+Sg。对于开口系统，进入系统质量带的熵δminsin，进入系统的熵流δQ/T，离开系统质量带的熵δmoutsout，过程不可逆因素造成的熵产δSg，系统熵的变化量为dScv，因此得出开口系统熵方程为:δminsin+δQ/T－δmoutsout+δSg=dScv。

工程热力学其他公式可以用类似的方法，结合高等数学所学的微积分知识，可以根据已有的公式进行推导，很快可以得出所需要的公式，也不容易出错，用起来也得心应手。学生在推导过程中一方面加深了对工程热力学知识的理解和其他知识综合应用能力，另一方面培养学生的逻辑推理能力。

3 与类比法相结合

类比法是将事物某些相同方面进行比较，以另一事物的正确或谬误证明这一事物的正确或谬误。类比法是一种直接的对应思维方法，具有迅速、简捷的特点。在上述的能量方程和熵方程推导过程中，我们可以类比热力学第一定律和热力学第二定律，通过类比法，掌握热力学第一定律和热力学第二定律之间内在联系和区别，热力学第一定律强调是能量守恒，而在热力学第二定律中揭示了能量传递和转换的方向，类比能量守恒方程和熵方程，两个方程结构基本类似，只是相比于能量守恒方程而言，熵方程中多了一项因为不可逆因素存在产生的熵产。在学习理想气体的基本热力过程中，我们根据理想气体的可逆多变过程方程式，得出定温过程、定压过程、定容过程和定熵过程基本方程，采用逻辑推理的方式，结合类比法，得出这个四个基本热力过程功、技术功和过程热量，并在p－v图和T－s图上描述基本热力过程，为后面工程实践案例分析打下基础［8］。

4 结语

逻辑推理能力对理工科学生来说是必不可少的，工程热力学因为理论性强，公式多，光死记硬背是很难掌握的，采用逻辑推理，结合类比法，让学生更牢固理解，培养学生积极思考和解决理论问题的能力，为更好的处理工程实践案例打下基础。

［1］马国立．工程热力学教学中的几点认识［J］．制冷与空调，2005(2):84－85．

［2］耿凡，王迎超．“工程热力学”课程的研讨式教学改革［J］．中国电力教育，2013(5):76－77．

［3］秦萍．工程热力学教学中若干问题的探讨［J］．制冷与空调，2009，23(6):115－117．

［4］陈梅倩，陈淑玲，张华．《工程热力学》课程教学方法的研究和实践［J］．中国电力教育，2008(1):80－82．

［5］刘鸿，肖立川．工程热力学课程教学方法探讨［J］．江苏工业学院学报，2007，8(3):103－105．

［6］童钧耕．工程热力学课程教学改革的几点看法［J］．中国电力教育，2002(4):70－72．

［7］王源生，刘佑生．传统逻辑推理类型研究的现状及其教学的建议［J］．湖南科技学院学报，2005，26(12):245－247．

［8］段雪涛，刘春梅，王学涛．工程热力学课程教学改革探讨［J］．制冷与空调，2009，23(3):103－105．