采用启发式教学方法提高化工热力学教学质量

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1、万方数据2006年第4期(恙第90期)p王奄哮拓素35采用启发式教学方法提高化工热力学教学质量*施云海，彭阳峰，王艳莉，吴福忠，刘洪来(华东理工大学化工学院化学工程系，上海200237)[摘要]根据培养“研究型／应用型”、“合格+特色”的化工类高等专门技术人才的要求，针对化工热力学课程存在内容抽象、难以理解等问题，我们提出了教学应根据热力学课程的特点，讲清基本概念，突出课程主线和热力学处理问题的方法，采用启发式教学手段，提高教学水平和教学质量。[关键词]化工热力学；教学改革；启发式；教学质量化工热力学作为化学工程的重要分支和基础学科，是“化学工程与工艺”专业及研究生的必修课程。该课

2、程的核心任务在于培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生将热力学基本原理应用于化工技术领域的能力。化工热力学的基础建立在经典热力学(热力学三大定律)上，并结合了分子热力学的最新研究成果。虽然热力学，特别是经典热力学已有几百年的发展历史，但也有人怀疑热力学是否过时?本科生学习阶段是否还要开设热力学课程?事实上，热力学作为科技发展和社会进步的基石从来没有动摇过，并已逐渐深入到材料、生命、能源、信息、环境等前沿领域。热力学所处理的对象不单单是一般的无机、有机分子，还包含链式大分子、蛋白质分子、双亲分子、电解质分子和离子等，其状态也不局限于常见的气、液、固三态，还涉及高温高压、临界和超临

3、界、微孔中的吸附态、液晶态、微晶多相态等。这一切都对化工热力学提出了新的、更高的要求，并向着连续热力学，伴有复杂化学反应的热力学、高压与临界现象、界面现象、电解质溶液、膜与膜分离过程、高分子系统、生物大分子、不可逆过程热力学、分子热力学、分子模拟等复杂系统和方向发展。[1]根据本科化工热力学教学大纲要求，教学应侧重于解决下列三个重要领域的应用问题：[z-3](1)过程进行的可行性分析和能量有效利用问题；(2)平衡问题，特别是相平衡与化学反应平衡；(3)平衡状态下的热力学性质计算。特别是流体的性质随着温度、压力、相态、组成等的变化规律，对解决实际问题尤为重要。我们结合多年的教学经验，

4、采取了以下方式和措施，提高了该课程的教学效果和质量。一、突出化工热力学课程的一条主线。理解和掌握好热力学基本概念课程的一条主线就是Gibbs函数或称为G函数，其定义式为G—H—T·S；或△G一△H—T·AS。对照前述的三个重要应用领域，可以认为：(1)理想功(W科一AH一7"o·AS)、损失功(WL—To·△Sg)和有效能[B～HoH7"o·(S。一S)]均可看作为系统及其所处的环境状态条件下的Gibbs函数变化量，即△G(T，P，7"o，P。)。(2)对于平衡问题，必须满足系统的总Gibbs函数变化量为零，即△G(T，乡)一0。(3)热力学性质预测和计算，主要体现在计算焓变和[作

5、者简介]施云海(1966一)，男，副教授，博士，分离科学与技术教科组主任。*校重点课程建设项目[校通字(2005)74号]。万方数据36采用启发式教学方法提高化工热力学教学质量熵变上，而反映在衡量实际物系的非理想性上，逸TS)、Gibbs函数定义(G—H—TS)；理想气体状度系数(虫)和活度系数(ri)均直接与Gibbs函数态方程(pV—RT)；通用的衡算方程(进一出+相关联，即z72拳一券、涛一∑3Ci·砌托等。1⋯、1i逻辑上，概念具有内涵和外延两个基本化特征。内涵反映事物(即思维对象)的本质属性，外延反映思维对象的范围。对于热力学基本概念，学生在学习时普遍感到抽象、难以理解，

6、但它是热力学演绎与推理的基础。因此，教师在教学中要讲清，学生要领会与理解热力学基本概念的内涵和外延双层意思。例如，理想气体状态方程，数学形式上可简写为PVm=RT，但在内涵上应正确理解为lira(户Vm)=RT。传热过程是能量传递的{由—oU(吒一一’基本方式之一，其中引入的理想化概念“可逆传“反应”或“生成量”一累积量)以及四个热力学基本方程之中的任何一个即可(如dG=一SdT+Vdp)，其他的不必背诵。但学习中要弄清其中每一项代表的物理意义和数学形式，以便在实际应用中不至于十分陌生。采用数学模型式的教学方法，可收到事半功倍之效。例如表达流体的pVT(x)关系，即所说的状态方程E

7、OS表达式为f(P，V，T，z)一0，X代表摩尔分率或物质的量。数学上研究这一关系，一种方式就是图解法，即教材中所说的相图，Eal包括纯物质的P—V_T图及其二维平面p-V、p_T和V-T投影图等，混合物的相图，则要复杂得多；另一种方式是展开成两种类型的热，，指的是温差无限小的传热过程，数学上应表达解析表达式，即以VanderWaals方程为基础的为limAT=O，这对于深刻理解和掌握Carnot循-／一』0环和热力学第二定律与熵的定义是非常重要的。如理想功的定义中就