工程热力学与传热学教学方法探索

李光霁

[摘 要]“工程热力学与传热学”是一门研究热能的利用和传热规律的课程，概念繁多，理论性较强。为了激发学生在学习中的主动性和创造性，该论文结合作者的教学经验提出了以下两个观点：第一，用现实的工程问题启发引导学生学习热力学的基本理论，使学生能利用基本理论解决和日常生活密切相关的问题。第二，工程热力学和传热学的研究内容都与热能有关，但是侧重点不同，将两者的相关概念进行对比讲解，有助于学生加深对要掌握的知识点的理解与记忆。

[关键词]工程热力学与传热学；教学方法；课程改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）05-0071-03

工程热力学与传热学是过程装备与控制工程专业核心课程之一，它与实际应用结合得非常紧密， 对实际工程实践中出现的问题进行简化和具体化形成的理论体系[1]。这门课程主要有以下特点：相关概念特别多， 如[籽] [用]可以分为热量[籽] [用]、冷量[籽] [用]、物质[籽] [用]、功源[籽] [用]等，而功源[籽] [用]又可分为电力[籽] [用]、水力[] [用]、风力[籽] [用]、地力[籽] [用]、波浪[籽] [用]等；湿空气热力过程可分为加热或冷却、绝热加湿、冷却去湿和增压冷凝过程等。另外，部分概念、定义较为抽象， 如自由能、自由焓、化学位、活度、相平衡等概念，学生对这些概念和定义往往一知半解、似懂非懂， 进而产生学习畏难情绪。激发并培养学生的学习兴趣，是教学成功的重要环节。如何结合本课程特点，利用不同教学方式有效调动学生对工程热力学与传热学知识学习的主动性和创造性，笔者进行了以下改革探索。

一是举一些生活中与热力相关的物理现象做例子，并用热力学知识给予生动的讲解，使学生听课时能集中注意力。用现实的工程问题引导学生主动积极地分析问题，有助于培养学生的创造力与工程师思维能力。比如在讲熵的概念时笔者提出问题：物体的温度升高一定会吸收热量吗？大部分学生认为一定吸热，然后笔者就引入熵的相关知识来解答。用这种方法，既调动了学生的学习积极性，又加深了学生对熵的理解。

二是及时引导学生复习之前学过的知识点，使学生明确之前的知识点和新知识点之间的联系，提升其学习效果。如前所述，工程热力学和传热学的知识点多，学生很难在短期内掌握这些知识点，而新的内容又来了，尤其面对大量专业术语时学生更是一头雾水，这样日积月累学生就会逐渐失去对工程热力学与传热学的学习兴趣，更不用说学习信心。这往往是很多机械工程专业的普遍问题。因此，工程热力学与传热学课程应该上慢一点，每堂课都要上实，在上新内容时要及时回顾前面学过的有关知识和概念，帮助学生明确新旧知识的联系并加深其理解。比如笔者在讲授余隙容积前先给学生复习之前上过的公差配合及工艺的知识，这样学生就会比较容易接受余隙容积的概念，从而真正掌握余隙容积对压缩机的实际影响。

三是用统计学观点探讨过程的不可逆性，用熵的热力学第二定律研究过程进行的方向性。在讲解这一定律时，为了让学生从根本上理解它，笔者用微观统计学方法进行阐述，以气体自由膨胀为例，将容器分成容积相等的A、B两部分，并将不同颜色的4个气体分子放到容器中。4个分子最初都集中在容器的A部，把隔板抽出后不同颜色的4个分子会向容器的B部扩散并在容器内做无规则运动。此时，不同颜色的4个分子在容器中所有可能的分布情形如下：4个分子都在A部；3个分子在A部，1个分子在B部；2个分子在A部，2个分子在B部；1个分子在A部，3个分子在B部；4个分子都在B部。每种宏观态对应的微观态分别为1种、4种、6种、4种、1种，共有24=16种可能的方式，以均匀分布的微观态数最多，对于实际气体分子N～1023/mol，全部聚于容器A部的概率为1/2[1023]，发生的可能性为零。以上分析很好地解释了热力学第二定律中机械能会自发地100%转化成热能，而热能不会自发地100%转化为机械能。杂乱运动对应的微观态数多于有规律运动的微观态数[1]。分子的这种方向性正是从较高品质位能向较低品质位能转化的。由于机械能能质高于热能能质，而机械运动总是存在摩擦，机械能总是会有一部分自发地转化成热能，而热能转化成机械能则不能自发实现。此种教学方法能使学生真正理解热力学第二定律的自发性和方向性。

四是引导学生学会运用第一定律理论解决学习和生活中遇到的相关问题。工程热力学理论性较强，涉及的公式繁多，学生普遍感到枯燥难学，和自己的生活联系不紧密。针对这种情况，教师上课时要多准备一些和日常生活密切相关的例子，提高他们的学习兴趣。比如很多学生学了热力学第一定律以后觉得没有什么用，笔者就列举了两个与电冰箱相关的问题，然后用第一定律来解答。例题1：一台电冰箱放在门窗紧闭的房间内，打开冰箱的大门就有一股凉气扑面而来，那么能否通过敞开冰箱大门降低室内温度？门窗紧闭的房间视为与外界没有热量交换，可看作是绝热闭口系。当系统内部的电冰箱运转时有电功输入系统，即W为负值。根据闭口系能量方程0=△U+W，△U为正值，即溫度会升高，因而不能达到降温的目的。例题2：门窗紧闭的房间内安装空调器后，为啥能起到制冷的作用？房间内安装空调，虽然门窗仍然紧闭，但是由于空调器安装在窗上，通过边界向大气环境散热，此时的房间不再是绝热的，而是向外界放热，所以Q为负值。室内空调器仍旧有电功W输入系统，W为负值。只要Q的绝对值大于W的绝对值，使△U<0就可以使室内空气温度降低。这样用生活实例开展教学可以极大增强学生的学习兴趣，加深学生对理论的理解，取得很好的教学效果。

五是讲透基本概念，帮助学生深度理解。工程热力学涉及很多基本概念，对这些基本概念的深刻理解是学好这门课的前提和基础，如何讲好基本概念成为教师首先要思考和解决的问题。我们上课的时候要尽量避免就概念讲概念，而是要注重讲解概念与实际应用的关系和联系，从生活常见现象中引出问题，激发学生的兴趣，使学生能积极主动地思考，提高授课的效果。比如在讲授热力平衡的时候要反反复复强调三点：系统与外界没有相互作用；系统内没有势差（温度差和压力差）；系统的状态参数稳定，不随时间变化而变化。学生通常能理解第三点，而对第一、第二两点总是忽略。针对这种情况，笔者举了一个例子：一根铁棒，一端在冰水混合物中，另一端在沸水中，一段时间后，铁棒会处于平衡态吗？ [2]通过教师对例题的讲解分析，学生真正理解掌握了这个概念。

再比如学生问：为什么闭口系统能量方程式能用到开口系统中？因为稳态流动是一个开口系统，但是进入系统的质量和离开系统的质量相等，系统内部质量保持恒定，所以稳态流动系统是可以应用闭口系统的能量方程式。还有的学生从《蒸汽动力循环》一章中提到这个问题：乏汽从汽轮机流出，在凝汽器中放热后重新进入锅炉循环，如果乏汽不在凝汽器中对外放热而是直接进入锅炉，是不是比较节能？从理论上看这种假设的确节能，但是不具有可行性。可以用热力学第二定律对此做出解释：如果乏汽不在凝汽器中对外放热而是直接进入锅炉，就变成单一热源做功，根据开尔文的说法，这种单一热源循环做功是不可能实现的。这两个问题很具有典型性和代表性，通过这样的启发和引导，锻炼了学生思维的批判性和发散性，这比起只向学生灌输知识、学生又只是一知半解的效果好多了。

六是用比较的方法讲授工程热力学与传热学相关联的内容。工程热力学和传热学的研究内容都与热能有关，工程热力学侧重于研究热能和其他形式能间的相互转换以及能量与物质特性之间的关系，这些能量转换要服从热力学基本定律，转换过程要借助特定工质来实现，也需要通过各种设备实现。因此研究工质的热力性质，对能量装置的能量衡算在热力学教学中显得至关重要，而传热学主要研究热能传递的规律。

应该指出的是，传热学、工程热力学中均有很多知识点与高中物理热学部分的知识有一定的联系，如工程热力学中有功与热量，传热学中热量传递有三种基本方式（传热、对流与热辐射）等，其概念相同但其物理意义却不同，很容易使学生发生混淆。如高中物理中功的定义式是力乘以沿力的方向上发生的位移，而在工程热力学中讨论气体做功，力不是恒定值，在力的方向上产生的位移不容易确定。可见，在工程热力学中用的是气体的体积变化功公式，而对热量传递的研究，传热学要比物理学的相关内容深入得多，然后进一步阐述三种热传递方式在换热器中的综合应用。将相同概念不同含义的知识点进行对比讲解，有助于加深学生对要掌握的知识点的理解与记忆。

本门课程的研究方法主要有宏观和微观两种方法，而将这些研究方法用来处理实际问题时，必须抽出问题的共性及主要矛盾，而略去细节和次要矛盾。例如将高温气体视为理想气体，将高温烟气及大气环境视为恒温热源，在分析各种循环时，把实际上都是不可逆的过程理想化为可逆过程，然后再按照实际中的不可逆程度予以校正。这些思维模式对于学好该课程都是非常重要的。因此在讲解相关知识内容时，要用比较的方法将实际问题与理想化设想进行有效对比，这样有助于学生明确所研究内容的脉络，减少困扰，加深理解。

传热学与工程热力学均对传热过程进行了相关的分析和计算，而且都用到热平衡方程。此外，工程热力学还分析了传热的方向性，而传热学侧重于对传热中流体温度分布情况及传热壁面内温度分布的阐述以及对传热量的计算[3]，对于这方面的知识在讲解时也有必要讲清楚其关联性。

七是利用多媒体技术形象化展示知识点，提高教学的趣味性。改变传统工程热力学比较刻板、晦涩的印象，关键是要改变以往填鸭式教学方式。在授课过程中笔者积极采用PowerPoint、Flash 等多媒体制作软件， 借助多媒体技术将工程热力学课程的许多工程实际问题制作成Flash短片，以讲故事的方式把相应的知识点进行动态演示，更生动、直观地体现热力学在其中的应用，这样既有助于将教学重难点讲清楚讲透彻， 又可以活跃课堂气氛，营造师生积极互动的课堂氛围， 同时向学生传递大量的信息。

在授课时笔者还将最新的学术进展情况融入课程授课之中，既可以加深学生对学术前沿的了解，又开阔了学生的眼界。比如在讲授热泵循环和制冷循环的时候，先给学生讲解它们的工作原理及能量方程，再给學生讲解相关水源热泵的知识。水源热泵利用的是地能（包括土壤或地表水、地下水等），是一种既能供热又能制冷的高效的节能空调系统。水源热泵就是通过少量高品位能源（例如电能）的输入来实现低温位热能向高温位热能的转移。地能既可以在冬季作为热泵供暖，又可以在夏季作为空调的制冷源。笔者通过对水源的讲解，让学生理解并掌握制冷循环和热泵循环的工作原理，从而对热力学第二定律有了更为深刻的认识和理解。

八是讲解两大定律背后的科学史，提高学生对科学探索的兴趣。工程热力学的两大理论支柱是热力学第一定律和第二定律，这两大理论在教学过程中占有很重要的位置。这两大定律的形成和科学史的发展密切相关，有一些概念（如熵等）还被很广泛地应用到其他学科中。为了让学生深入地理解并能熟练运用，避免在学习过程中产生厌学情绪，授课时笔者尝试增加了相关的科学史知识。例如在讲授热力学第一定律时介绍“热动说”与“热素说”的争论[4-5]，以及许多科学家如伦福德、戴维、牛顿和卡诺等在反驳并推翻“热素说”、最终确定“热动说”的贡献。在讲授热力学第二定律时笔者增加了“热寂说”的相关知识。这样既增加了授课的趣味性，也拓宽了学生的知识面。

教学始终是高等学校教育的中心，也是教师的本职工作，需要教师认真地对待。要使学生从难学、苦学转变成好学、乐学，还有待于教师在实践中进一步探索。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张辉，张博，潘宁.独立学院热能与动力工程专业基础课教学探索[J].制冷与空调，2009（6）：83-85.

[2] 任晓利，陈小砖.提高“工程热力学”课程教学效果的几点体会[J].中国电力教育，2009（13）：49-50.

[3] 章熙民，朱彤，安青松，等.传热学：第6版[M].北京：中国建筑工业出版社， 2014.

[4] 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（3）：103-105.

[5] 张琴，张慢来，黄天成. 启发式教学在《工程热力学》中的应用[J].科技信息， 2008（28）：486+507.

[责任编辑：庞丹丹]