工程热力学的初步认识

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工程热力学的初步认识范文第1篇

【关键词】学习兴趣；研究性教学；能力提高

随着时代的变迁、社会的进步和高等教育的发展，我国高等教育教学改革过程中不断出现新的问题，期中课程的教学改革是核心，而改革重中之重是如何调动学生的学习积极性和促进学生综合实践能力的提高，本文结合多年的化工热力学教学改革情况，谈几点体会以共勉。

1 引用研究性教学模式，创造主动学习氛围

化工热力学课程专业性比较强，内容比较枯燥，基本原理概念抽象、公式推导多、工程计算更是繁琐，学生上课往往表现学习兴趣不高。针对这一实际情况，教师首先需要对热力学的基本知识进行梳理，按照教学计划和要求对教学内容模块进行划分，并对教学内容外延知识体系进行补充，为课堂教学创造必要条件。化工热力学的课堂教学要求教师用科学恰当的方法把自己所掌握的精确的专业知识教授给学生，为达到人才培养的目标，提高化工热力学教学的时效性，部分引入以教师为主导、学生为主体的研究性教学模式，能够充分调动学生学习的积极性。

研究性教学是指老师以课程内容和学生的知识积累为基础，引导学生创造性地运用知识和能力，自主地发现问题、研究问题和解决问题，在研讨中积累知识培养能力和锻炼思维的新型教学模式。这种教学模式带动学生积极地投入到课程学习中去发现问题、研究问题和解决问题，并在研究过程中获取知识、提高技能、培养能力[1]。为此，在热力学教学中，我们尝试了“设定内容情境-启发思考-交流探究-总结提升”教学环节，将复杂的热力学知识体系，和学生先前学过的基本物理、化学、数学等知识紧密联系起来，应用于实际，营造自主或团体进行讨论和探究，和传统的教学模式相比，大大提高了学生的学习积极性，并达到了能力培养的目的。

在实际教学过程中，曾尝试选择几节内容，采取学生进行讲课。教师布置任务范围，提出要求，学生以团队为单位首先学会读懂教材内容，查找所需资料，再设计教学课件，最终在讲台上进行展示讲解。从学生到老师角色的转变，从自己学明白到讲解清楚，激发出了学生对热力学学习的兴趣，加强了对知识的理解深度，与此同时活跃了课堂的气氛，教师也可以从中观察到学生的学习心理，寻找到教和学的突破口，对于课堂教学的创新和学生能力的培养具有重要意义。

2 利用多媒体和网络教学手段，提高自主学习能力

针对化工热力学知识体系和内容的具体特点，在教学方式上，发挥多媒体优势进行教学，可以大大提高学习的时效性和增强学生学习的积极性。

多媒体技术应用文本、图象、动画、声音等运载信息的媒体结合体，以图文并茂的形式为化工热力学教学充实供了多样化、多维化的教学信息空间，使化工热力学的教学内容、教学模式得到了很大的充实和改进[2]。结合化工热力学自身的特点设计生动、立体、直观性强的教学软件，与公式推导的板书相结合，加快和加大课堂教学的信息量，吸引学生的注意力，提高了教学效果。

在多媒体内容的展现方式上，除了课堂教学外，充分利用互联网，拓展网络教学。学生反映平时在化工热力学学习中，经常会遇到疑难问题，课堂时间又极其有限，往往会造成问题堆积。针对这一情况我们建立了化工热力学网络教学辅导平台，可以师生交流、学生间交流，利用网络的开放性、交互性、共享性的特点，传递与化工热力学相关的前沿信息和资料，将教学内容在网上公开，实现资源共享，并及时为学生答疑解惑，随时提出新问题，在网上进行自由讨论，师生间共同研究，从而既迅速有效的解决了问题，又提高了学生的学习效率。

3 结合实验实践教学，培养工程实践能力

化工热力学的实验教学是对化工热力学基础知识的综合运用与实践，意在培养学生建立独立思考、观察分析、解决问题、验证结果的思维体系，培养学生灵活运用理论知识解决实际问题的能力；让学生明确化工热力学在工业生产中、科学研究和工程设计中的重要性，有一个比较完整的感性认识和理性认识，也是进行产品生产和科研开发的必要准备。在实验教学的过程中，指导教师根据教学内容，详细制订系统完整的实验过程，建立了“做什么实验-为什么做实验-怎么做实验-如何提高实验数据可靠性”思维引导方式，注重挖掘学生的内在潜能和启发学生的智慧，在巩固和深化专业理论知识的基础上，要强化实验中出现的各种现象，再把实验过程中遇到的具体问题放入化工热力学的课堂教学当中，在相互融入讲解的过程中潜移默化的传授给学生，使其印象深刻，充分理解。

化工热力学所研究和解决的都是化工生产中的实际问题，因此实践教学环节非常重要，在热力学的应用章节的教学中，指导教师可以带领学生直接参与到企业的生产之中，结合课堂教学实例，按照“装置设想-实验室开发-工程设计-生产操作运行-工艺改进”主线，在现场指导学生运用所学的化工热力学基本理论联系实际，完成一定的实习任务，同时使学生在真实的生产环境中获取初步的职业训练和积累简单的生产操作经验，逐步提升工程意识和理论联系实际的能力；在企业实习实践活动中，学生开始涉入企业的先进理念和特色文化的信息，增强了参加工程实践活动的兴趣，为将来走向工作岗位、立足企业打下良好的基础[3]。

4 完善考核方式，促进培养目标达成

为了更好地评价学习的效果，必须进一步完善公平、公正、公开的考核体系，制定适应上述教学的评分标准，准确的反映学生的学习情况和能力发展水平，使学生在为成绩而努力学习的过程中，能够完成知识体系的建立和能力的提高。为此，教师应从培养学生学习思维和提高全面创新能力出发，逐步减轻期末理论考试的分量，倾向于平时的学习态度，如课堂表现情况，作业、实验、实结情况都占一定的考核比例，坚持课内与课外相结合、考试与考评相结合的原则。评分的等级和标准要进一步细化，从激发学生的学习热情出发，科学、有效、灵活的进行化工热力学的考核评分工作。如在考核的过程中，我们不考核学生对化工热力学公式的死记硬背，而是考核学生是否掌握了公式理论的应用场合条件，理解了各种符号的含义，能否明白推导步骤和过程，考核学生的推理、演绎能力等。

总之，从以上几方面入手，对化工热力学的教学工作有了更进一步的认识，以培养高素质化工人才为目的，通过不同教学方法的体验，激发了学生的学习兴趣，灵活运用化工热力学的理论知识解决实际问题的综合实践能力。

【参考文献】

[1]郑贵华.大学研究型教学的理论构想与实践探索[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士），2005（07）.

工程热力学的初步认识范文第2篇

关键词：卓越工程师 物理化学 制药工程

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）10（a）-0110-02

“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”）是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大教育改革项目，也是促进我国工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。2016年6月2日，中国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的正式会员，这是中国高等工程教育发展的重要里程碑，也为“卓越计划”实施迎来新的契机。武汉工程大学制药工程专业是国家级特色专业和湖北省品牌专业，拥有制药工程国家级教学团队和国家精品课程教学团队[1]，同时也于2012年2月入选了第二批卓越工程师教育培养计划高校学科专业名单。为适应笔者所在学校制药工程“卓越计划”的培养目标和“三实一创”（实验、实习、实训和创新）实践教学新体系[2]和高质量制药工程类技术人才的需求，我们对物理化学这门核心课程的教学工作提出一些改革的思考和建议。

1 优化物理化学理论与实验课程的教学内容

卓越工程师培养与传统的理工科学生培养不同，重点强调的是提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力及创新能力。而物理化学是一门理论性较强的学科，且是制药工程专业一门重要的专业基础课程，它为后续的制药反应工程、制工艺学、制药工艺设计、制药分离工程及药代动力学等课程的学习夯实基础。因此，针对制药工程“卓越计划”的物理化学教学，应加强理论知识与工程实践相结合的教学方法。同时实验教学不仅要与理论教学相结合，也要与制药工程实践相关联。

1.1 结合“卓越计划”优化物理化学理论课程教学内容

该校制定的针对工科学生的物理化学教学大纲包括十章内容，具体为：气体的PVT性质，热力学第一定律，热力学第二定律，多组分系统热力学，化学平衡，相平衡，电化学，界面现象，化学动力学，胶体化学。传统的观念认为教学重点在热力学和动力学，但是如果结合制药工程专业的“卓越计划”，我们认为除了这两个方面的核心内容外，以往被我们弱化了的某些知识也应引起重视，应该提到教学重点中来。比如多组分系统热力学，这一章的内容其实是实用性非常强的理论知识，特别是溶液体系中的热力学问题。这些知识与制药工艺学、制药反应工程等课程密切相关。另外，针对制药工程专业“卓越计划”优化物理化学理论课程的内容，除了上述对课本中重难点的重新划分这一方面外，还包括引入课本外与制药工程相关联的物理化学知识。

1.2 优化、扩充实验课程的教学内容

传统的物理化学实验一般仅仅只是结合物理化学理论课程的内容，且大部分是验证性的实验，实验教学的目的集中在验证原理和掌握操作方法，缺乏综合性和创新性。而“卓越计划”旨在培养具有创新能力的高质量工程技术人才，很显然传统的物理化学实验教学内容不能满足“卓越计划”的实施要求。因此，物理化学实验课程内容的优化与扩充势在必行。

结合制药工程的专业背景，在动力学方面，除了传统的蔗糖水解及过氧化氢分解速率常数的测定实验之外，还可以增设一个Belousov-Zhahotinskii化学振荡反应活化能的测定实验，不仅能加深学生对动力学的理解，更能让学生初步认识体系在远离平衡态下的复杂行为，有利于强化学生对药物合成反应的理解。除了增设综合性的实验之外，还可以开设设计性的实验，比如，让学生自己设计方案测定活性炭的比表面积、根据所学的可逆电池理论设计原电池、测定氯化银的溶度积。

以上所提出的综合性和设计性的实验是对学生综合能力及创新能力的挑战，让传统的被动实验变为主动实验，使实验课程真正起到提高学生分析问题、解决问题的能力，以顺应“卓越计划”的培养目标。

2 教学与考核方式的多样化

针对“卓越计划”，在物理化学的教学和考核方式上也必须做相应的改革。传统的物理化学教学模式是PPT和板书相结合，缺乏小组讨论的环节。但学生普遍反映物理化学这门课程理论性太强，概念抽象，公式繁杂，学习起来比较枯燥，这些问题其实是可以通过采取多样化的教学方式而得到改善的。针对“卓越计划”的学生来说，小组讨论环节应该在整个理论教学中占据一定的课时。可以将3～5个学生分为一个小组，以小组为单位，利用已学的物理化学理论知识讨论制药工程领域的相关问题。这种沙龙式教学模式有利于学生融会贯通，学以致用，并培养其团队合作精神。

对“卓越计划”学生的物理化学考核，我们将理论和实验的考核结合为一体，最终的成绩由理论考试的卷面成绩、课堂讨论成绩和实验成绩组成，三者所占的百分比分别为50%，20%，30%。这种考核方式较传统的理论与实验单独考核的方式更能提高学生对实践和主动学习的重视，有利于培养高水平的工程技术人才，更符合“卓越计划”的教学目标。

3 结语

物理化学是化学领域的核心课程[3]，针对制药工程“卓越计划”的学生，我们通过优化理论与实验教学内容，以及调整教学和考核方式，拟探索出一条适应“卓越计划”培养目标的物理化学教学新途径，旨在提高学生学习物理化学的主动性，提高实践能力和创新能力，以及对理论知识的灵活应用能力，为制药工程后续相关专业课程的学习夯实基础，为社会输送更多具有较强竞争力的制药工程技术人才。

参考文献

[1] 张珩，杨艺虹，万春杰，等.创建国家精品课程制药工艺设计的体会[J].药学教育，2008（2）：7-9.

工程热力学的初步认识范文第3篇

1.1教学内容的调整

根据材料专业特点，本着理论够用的教学原则，结合材料学科的发展趋势，尝试将专业必需的物理知识进行优选重组、整合，作为金属材料工程专业和材料物理专业的学生必须学习掌握的共同内容，目的是使材料专业的学生掌握较扎实的物理基础理论知识及基本分析应用能力．

1）力学篇

力学是经典物理学的基础，也是材料学专业许多重要课程的基础，例如材料力学、材料成型与控制、金属力学性能等等．在讲述力学知识的时候，特别强调物理概念的产生、严格定义和使用范围．此外，重视一些重要的思想，例如矢量叠加原理、取微元再积分的思想等等，帮助同学们通过建立合适的物理模型和一些重要的数学思想来解决实际问题．而狭义相对论与材料学关系不大且难以理解，可略去不讲．

2）热学篇

材料的许多物理性质都与热有关，例如热膨胀、热传导、热稳定性、热电等等．研究热现象，热力学和统计物理是两条重要的途径．目前所使用的教材中，热学知识不够丰富，因此在给材料类专业的同学上课时，需要补充额外的知识．在介绍统计物理时，帮助学生理解概率统计在材料科学研究领域的作用．在介绍热力学第一定律时补充焓的概念，在介绍热力学第二定律时补充熵的概念，因为熵与焓都是材料学中常用的表征材料特性的物理量．

3）电磁学篇

电磁学包括静电场、导体和电介质、稳恒磁场、电磁感应和电磁场，知识体系相对完整和庞大．如果全部讲解，至少需要半个学期的时间，而且这部分内容整体上与材料学关系不太密切，可以略讲．在讲解时要避免上成数学课，重视实验（在课堂上用多媒体演示实验过程），强调重大物理理论产生的过程．这部分教学内容与物质的导电性和磁性密切相关，因此可以适当介绍超导材料的概念和发展情况．

4）光学篇

对材料类专业的学生，光学部分应着重介绍光谱分析与应用方面，例如X射线衍射．此外，通过适当介绍一些重要的光学材料，例如隐身材料，增透抗反射材料、防伪材料等，来提高学生的学习兴趣和学习动力．

5）量子物理篇

对于金属材料工程专业的同学来说，量子物理知识与其后续课程关系不大，可以推荐一些科普书籍，让他们自学．而对于材料物理专业的同学，后续还要继续学习“理论物理”、“固体物理”等课程，但是量子物理知识复杂，故可仅介绍量子力学及原子物理初步的知识，适当补充纳米材料的概念，以丰富学生对物质层次的认识．

1.2教学模式改革

改革现行的以多媒体教学为主的教学模式，试行“黑板板书＋多媒体演示＋知识拓展”的复合教学模式．黑板板书是重要的教学方式，许多国内外著名大学的大学物理的教学依然是通过板书的方式，例如耶鲁大学和麻省理工学院．通过板书可以突出关键性的内容和难点，而且学生也可以跟得上老师的思维，而这正是多媒体教学的软肋．因此在教学实践中，也仍然以板书传授知识的教学模式为主．多媒体教学也有自身的优势．物理学是一门重视实验的科学，在实践中学习是最好的学习方式．但是由于教学硬件有限，不能在课堂上演示实验．因此通过借助现代化教学的工具———多媒体，为学生演示一些模拟实验，以引起学生的注意和激起他们的好奇心．此外，互联网上有大量丰富多彩的资源，适当引入课堂教学，可以起到“画龙点睛”的效果．例如将网易公开课上的优秀资源引入课堂、利用中央电视台科教频道的一些录像片和资料等，达到了丰富教学内容、开阔学生视野的目的．为了让学生主动思考问题，以及将物理理论知识和实践相结合，引入了知识拓展这个模块．每一次课堂的教学设计都包含这个环节，时间不长，但是通过这个模块能够引发学生的兴趣，培养学生思考问题、解决问题的能力，在提高教学质量的同时也提高了教师自身的知识水平．可以适当引入与该知识点相关的科技发展前沿理论或者未知问题，例如在讲到圆周运动时，可让学生谈谈对能够产生人造重力的未来空间站的看法和想法．也可以适当引入与材料学专业相关联的问题，例如在讲到物质的磁性时，可让学生谈谈对磁记录材料的认识；在讲到功和能时，介绍一些新能源材料，并让学生谈一谈对解决能源危机的看法和思考．

2、实践与效果

工程热力学的初步认识范文第4篇

关键词：物理化学；双语教学；过渡式教学；实践

中图分类号：G642.0　文献标识码：A　文章编号：1671-0568(2012)41-0095-03

双语教学是指学习的引导者与学习者围绕某一门非语言学科的知识与技能、过程与方法，遵循一定的学科标准，在思维水平上运用两种语言媒介，通过传授、仿效与内化等过程而进行的学校活动。其目的是为了促进学科的专业学习和认知发展，提高单语学习者运用目标语的水平，尤其是在认知学术方面的语言能力。在我国，双语教学主要是指利用汉语和英语作为课堂主要用语进行学科教学。近几年随着经济全球化的发展，专业人才国际化要求的提高，国内各高等院校纷纷加大了双语教学的力度。但是由于各高校的办学条件和专业背景的差异，导致双语教学不可能按照同一标准、同一模式进行，因此探索适合各个学校自身相关专业特点的教学模式，成为了当前的研究热点。

从专业的角度来看，物理化学作为化学学科四大基础课程之一，是化学与化工类专业课程之间的桥梁。但由于该学科理论性强、内容抽象、覆盖面广，且自身又具有基础性、专业性、系统性相结合的特点，使得其双语教学具备了一定的难度。因此，结合我院的化学化工专业特点和学生的知识背景，笔者对物理化学的双语教学模式进行了一定的探索，并对其中存在的问题进行了分析与思考。

一、双语教学的实施模式

目前各个高校普遍认可的双语教学模式主要分为以下三种：

1.完全渗透式

以英文教学为主，仅用汉语作辅助说明，并采用全外文教材和参考书。这种教学方式对学生和教师的英语水平提出了较高的要求，而且课程的授课以西方人思维模式为基础，这是双语教学的最高级形式，也是最理想的目标。但是由于各个学校班级学生和教师的英语水平参差不齐，这种模式目前只能被极少数的高校所采用。

2.交叉渗透式

中英文教学并重，这是目前使用较普遍、也是最受学生欢迎的一种形式。这种方式要求采用外文教材，教师采用中英文相结合的方式授课，并尽量使用原版教科书里准确精练的英文，使学生学习和掌握到正确的英文表达方法。这对备课提出了较高的要求，教师必须能够用流利的外语准确地表述所要讲授的专业知识，同时要很好地把握使用外语和汉语的比例，既要避免因过多使用外语造成学生的思维障碍，又要避免单纯使用汉语而违背双语教学的真正目的。对于课堂教学中的重点和难点，特别是学生无法理解的内容，要用中英文重复解释，避免学生因听不懂而产生厌学情绪。

3.术语引导式

以中文教学为主，适当采用中文教材，配以英语章节名称、专业词汇和术语。这种双语教学方式对教师的要求最低，既不要求口语表达，更不要求用英语解释教材中出现的公式和定义，是双语教学的初级形式，对学生英语水平没有太高要求。但是，这也不是双语教学的最终目的。

依据我院化学工程与工艺专业的学科背景、教师和学生的英语知识水平，以及物理化学课程自身的特点，笔者以术语引导式和交叉渗透式相结合的“过渡式”教学模式进行了双语教学实践的探索。物理化学课程本身内容量较大，知识面较广，且各章内容相对独立、系统性强，各章间的联系与渗透也是教学的一个难点。由于课时有限，结合考研等各方面的要求，授课内容大体上分成四部分：热力学一(包括热力学基础、多组分系统热力学)、热力学二(包括相平衡、化学平衡、统计热力学)、热力学三(包括电化学、界面现象、胶体化学)，以及化学动力学(动力学基础、各类反应动力学)，等等。对于每一部分，都采取循序渐进的方式进行教学：首先，前期教学中以汉语教学为主，使学生了解每一部分的大致内容，熟悉并掌握相关的英文专业词汇和相关术语；中期，以较为简单的英语句型引导学生逐步熟悉理解章节中的基本原理、公式的推导过程等等，并鼓励学生练习用英文记忆、推导，这一部分教师的引导相当关键，绝不能因语言的问题而影响专业知识的吸收；后期，主要以学生的强化、应用知识点为主，辅以一定量的英文习题，同时引导学生阅读适量的相关英文文献，完成以英文综述的方式来达到巩固知识、提高专业英语水平的目的。

二、双语教学要“以人为本”

“以人为本”即以学生为本，教育模式是以提高学生的学习能力、扩大其知识面和知识结构为目标的，双语教学更是如此。就学生方面，中外语程度较好的学生，迫切想提高自身的专业英语水平和实际应用英语的能力，一般比较欢迎双语教学课。而有少数学生会因自身英语不好而对双语教学有一定的抵触心理。考虑班级的整体水平，授课以基础英语应用为主。根据近几年的授课状况发现，学生只要具备英语四级的水平，授课的效果基本可以保证。但是在每年正式授课前，必须要对学生的英语基础进行摸底。经过近几年的摸底了解，发现大多数学生普遍的问题是阅读能力相对较好，听说能力相对较差，公共英语相对较好，专业英语相对较差。如果英语使用的比例过大，会使学生不易理解，从而将注意力更加趋向于语言的学习，忽略了学科知识的消化吸收，这样的学习效果可想而知。双语教学中语言只是工具，不能以降低课程或整个学科的教学质量为代价。为了更好地提高学生的学科知识水平和探究能力，笔者在教学中做了以下几点探索：

1.必要的预、复习

为了帮助学生克服语言方面的障碍，跟上课程节奏，必须重视课外的学习。首先，教师在每堂课结束时，就本节课的内容做出小结，并对下节课的内容做一个概貌式的介绍；随后，提出学生课外自主学习的具体要求，规定预习和复习的内容；为了达到督促学习的目的，会将其作为成绩考核的一部分。

2.培养阅读文献的兴趣

作为双语教学的目标之一，提高学生外文文献的阅读能力也是重要的方面。在每一部分结束时，可以适当布置阅读1―2篇英文文献作为课后作业，并鼓励学生就阅读的文献以英文形式进行报告，以提高其专业英语的阅读理解和表达的能力。这样，既可以让语言服务于教学，提升教学层次，同时也锻炼了学生应用语言的能力，获益匪浅。

3.灵活调整教学手段

课程初期、中间和结束阶段必须结合学生的反应，采取不同的教学手段进行，否则双语教学的效果很可能事倍功半。课堂内容的设计要因学生的承受能力为依据，中英文使用的比例要适当，对于难点、重点，要力争做到让大多数学生理解、吸收。例如相平衡一章，似乎与前面所学内容的联系不大，学生理解起来有难度，所以在授课中教师会偏重汉语教学，穿插相关的英语术语，达到了较好的教学效果。而化学平衡的一些知识，学生在无机化学中已经学习了，比较熟悉，多使用英语授课，学生温故而知新，反响较好。

三、双语课程中教师应具备的能力

毫无疑问，作为课堂知识的引导者而言，教师在双语教学中充当着相当重要的角色，双语课程教师应具备以下素质：

1.具有一定的外语水平

一般而言，大学教师的英语水平都达到了六级或以上水平，但是，达到将外语和母语等同地使用还有相当的难度。因此要开展双语教学，必须首先对教师进行一定的强化培训，使他们在上岗前就具备熟练运用第二语言的能力。

2.具备较高的专业水准和职业素质

较高的专业水平是教学的根本，“双语”说到底是为专业教学服务的。能够登上“双语”讲台的教师，除了具有熟练驾驭外语的能力和掌握本专业的学科知识外，还应能通过外文资料的查阅，最先了解国外的科学研究动态和社会发展状况，应比一般的专业教师掌握更多前沿性的知识。因此，教师必须有意识地去查阅相关资料，以扩大知识面。

3.具备较好的课堂驾驭能力和设计能力

双语教学要根据学生的实际接受能力，灵活调整教学模式和教学方法，以期做到让大多数学生理解、掌握教学内容。教师最好能够灵活运用那些前沿性的、具有新奇性的知识扩大学生的视野，激发他们自觉使用外语获取专业知识的兴趣。

4.具有使用多媒体软件的能力

多媒体教学具有直观、生动、形象等特点，是传授知识、优化教学信息的很好的教学工具，多媒体通过图像、动画、声音方式，将复杂抽象的原理、过程以简单形象的方式表达出来，增加学生对物理化学知识的感性认识。因此，作为多媒体课件的制作者，最好具备好的操作和想象能力，课件制作的成败会在很大程度上影响教学效果。

四、选择适合学生学习的双语教材

教材的选择和运用直接关系到双语教学效果。中文教材选择天津大学物理化学教研室编写的《物理化学》(第五版)，英文教材的确定则较困难，选用的是A.G.Whittake等编写的《PhysicalChemistry》。目前，许多高校倾向于采用国外原版教材，其语言纯正地道，使学生能接触到当前国际最先进的理念，从而使他们更为直接、准确地理解课程内容。但是从现阶段看，学生的外语理解能力远远不及自己的母语，阅读起来较为吃力，不适合自学，久而久之会产生厌学情绪。目前虽然有些教材配有汉英双语，但这样会使学生对汉语过度依赖，达不到培养英语思维模式这一目标。因此，最理想的方法是结合上课学生的实际情况，以国外原版教材为参照，授课教师能够自编教材。教材中体现“过渡式”教学模式，由浅入深，并伴有预习内容、目标，课下作业、要求，以及能激发学生学习兴趣的扩展阅读、英文文献，等等。

五、考核方式的多样性

工程热力学的初步认识范文第5篇

Abstract： This paper proposes a new way of steam power cycle， according to the working medium vapor hydrodynamic characteristics， improve power cycle thermal efficiency of the whole process.

关键词：朗肯循环；蒸汽动力；节能减排；火力发电

1 朗肯循环

朗肯循环（英语：Rankine Cycle）也被称为兰金循环，是一种将热能转化为功的热力学循环。郎肯循环从外界吸收热量，将其闭环的工质（通常使用水）加热，实现热能转化做功。朗肯循环理论虽然诞生于19世纪中期，但即便到了今天，郎肯循环仍产生世界上90%的电力，包括几乎所有的太阳能热能、生物质能、煤炭与核能的电站。郎肯循环是支持蒸汽机的基本热力学原理。

因为郎肯循环诞生的那个时代正处于第一次工业革命的开始阶段，研究热力学的材料、加工、设计、控制等综合基础条件，包括相关学科理论研究和现在差距很大，有必然的历史局限性，以现在的技术水平去衡量、分析，难免要存在一些缺陷和不足。

1.1 郎肯循环应用特点

朗肯循环实现工质水的闭环循环，大大减少水资源的消耗，但是为了实现闭环，必须将水蒸气冷凝为水，然后再把几乎不能被压缩的液态工质加压，才能使之进入下一个动力循环。热量只能参与一次做功循环，不能转换为功的热量必须被抛弃，因此，应用朗肯循环的工业系统热量浪费巨大、热效率难以提高！

实现蒸汽直接再利用通常能想到的就是机械再压缩，但由于工作过程中需要消耗机械能，通过直观的能量守恒定律分析费效比很低，实际应用中一般不会采用这种技术来实现蒸汽再循环利用。

在郎肯循环诞生的历史条件、技术条件下，可以不考虑、也没有能力考虑热回收，人们习惯于接受凝汽环节的大量热量必须以低温形态散失。另外，水的凝结热几乎是常见工质中最大的，工作温段也偏高，但是综合考虑当时的条件，从成本、安全、环保等综合因素考虑，直到现在，也似乎只有水是最理想的工质。

1.2 理论应用发展现状

目前传统朗肯循环理论应用中多用回热、再热等改进循环方式提高效率，还采用增加蒸汽温度、压力的临界、超临界工作模式来提高效率。这些方法根本的思路都是尽可能提高有效功在全部消耗热能中的比例。

另外还有采用有机工质（非水蒸气）来实现朗肯循环，即有机朗肯循环，它改变了温度较低情况下的循环效率，还是存在凝结热浪费的问题。

还有一种方法主要的出发点则是设法采用消耗少量热能、机械能的方式，直接、间接对排放的低温废热进行再利用，用于工业热水制备、生活采暖等环节，实现余热利用来提高有效输出的功和热在全部消耗热能中的比例。

上述多种方法在系统成本、安全性、费效比、可行性等方面都受到诸多限制，很难实现热能利用效率的大幅度提高，特别是难以实现热-电转换效率的大幅度提高。

2 流体力学相关原理

流体力学里面有些基本原理，实际应用时具有一定的“特殊”功能，在流体流动过程中，作为流体的物质属性本身，也会附带实现热传导交换、物质传输、物质压缩等效果。其特点，就是几乎都是在不需要机械装置运动、机械功消耗的情况下，仅仅在空间变化、热能传递、流动过程就能实现。

2.1 射流真空泵

基于流体力学文丘里管原理的射流真空泵是一种具有抽真空、冷凝、排水等三种效能的常用机械装置。射流真空泵是利用一定压力的水流通过对称均布成一定形状和倾斜度的喷咀喷出。由于喷射水流速度很高，于是周围形成负压使器室内产生真空，将外界气（液）体抽吸进来，共同进入混合管，混合管内的水（气）流互相摩擦， 混合与挤压，通过扩压管被排除，使器室内形成更高的真空。结构如右图。

说明：1、高压水进口；2、喷嘴；3、螺母；4、喷嘴板；5、气体进口；6、泵体；7、混合室；8、喉部；9、扩压管；10、混合气液出口；

如果使用的射流是水，吸入的是低温、低压水蒸气，则蒸汽与喷射水流直接接触，进行热交换，绝大部分的蒸汽必将冷凝成水与原水流混合，体积大大缩小；小量未被凝的蒸汽与不疑结的气体亦与高速喷射水流一起从喷口喷出，流体具有动压。查阅部分射流泵参数（如石油行业普遍使用的产品），射流抽取的目标介质可以达到自身质量的80%以上，压力损失约10%左右。

有资料报道国内有单位做了这样的应用，产品名称叫“射流凝汽器”，但没有大量推广应用，其节能减排效果也没有得到行业的重视。

右图是一种利用喷雾或射流的混合式凝汽器：

这种装置确实利用的冷却水射流、雾化吸热的效果，但是没有利用射流的动能，而且蒸汽热量巨大，冷却吸热能力有限，造成冷却水用量增加，最后冷却效果好了，但是还不能解决热量回收利用的问题。

2.2 气体放大器

进入20世纪70年代以后，世界各国都在进一步研究有关射流引流、真空理论，通过对一些细节的研究，如喷口形状、方式、脉动等等因素的研究实践，取得了一定的成果。比如和人类生活密切相关的无叶片风扇，以及工业化应用的气体放大器。

气体放大器原理如下图：当高压气体通过气体放大器0.05～0.1毫米的环形窄缝（3）后，向左侧喷出，通过科恩达效应原理及气体放大器特殊的几何形状，右侧最大10～100倍的低压气体可被吸入，并与原始高压气体一起从气体放大器左侧吹出。近两年来气体放大器（空气放大器）应用领域迅速扩展，常用大比例节约压缩空气，并且利用压缩空气实现吹尘、吸尘、物料运送等工业应用，技术成熟稳定。

结构说明：（1） 环形腔； （2） 可调环形槽；（3） 发生科恩达效应的剖面；（4）待吸入气体；（5） 固定环（可调气体放大器有）。

如果被吸入的气体是低温、低压蒸汽，驱动气流是高温、高压过热蒸汽，在高温蒸汽从环形喷口喷出时，会膨胀、降温、降压，同时与低温、低压蒸汽混合，达到热量、动量平衡，最终气流是中温、中压混合蒸汽，从左侧排出。

2.3 涡流管

涡流管（Vortex Tube）又称涡流制冷管、涡旋管、涡旋制冷器等，一定压力的压缩空气输入涡流管涡旋发生器后膨胀加速后旋转，气流以1，000，000 rpm的旋转速度沿热管壁进入热管内部，在热管的终端，一部分压缩空气通过调节阀以热空气的方式泻出，剩余的压缩空气以较低速度通过进入热管旋转气流的中心返回，这股冷气流通过发生器中心形成超低温冷气汇集到冷气端排出。以某种型号涡流管产品为例，输入气流7Bar，25℃干燥空气的前提下最低冷气温度可达-45℃， 冷气端射出冷气流在7Bar，温度最大降幅达-70℃，另一端射出的热气流极限温度可达+130℃。冷气、热气比例可以调整，从10%～90%之间互相变化，所能达到的最低、最高气温也和气流量有关。

涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置，它是由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时，经过涡流中心的离心减压、涡流外圈离心增压作用，气体从涡流中心到外壁分离成压力、温度不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，调节冷热流比例，可以得到最佳制冷效应或制热效应。

结构说明：（1） 高压气体入口； （2） 冷气输出口；（3） 热气输出口。如果被吸入的气体是低温、低压蒸汽，经过涡流管后，就可以在高温输出端输出更热蒸汽，低温输出端输出低温甚至低温汽水混合物。

2.4 压力温度关系

其实上述三种特殊功能的装置，其背后的理论基础都来自于流体力学的一些基本定律，在蒸汽流动速度不大的时候，以下定律都适用：

波义耳定律：温度恒定时，一定量气体的压力和它的体积的乘积为恒量。数学表达式为：pV = nRT =恒量或p1V1 = p2V2。

查理-盖吕萨克气体定律：压力恒定时，一定量气体的体积（V）与其温度（T）成正比。

根据上述两条定律分析，朗肯循环中没有提及蒸汽传输过程中的气体流体力学、热力学问题，仅仅把蒸汽按照理想状态气体、静止状态气体去研究，存在一定的局限性。

可压缩流体流速加快，压力降低，必然引起体积膨胀，从而使密度减小；反之，在流速减慢、压力升高的同时，可压缩流体受压缩，体积缩小，因此，密度必然增大。气体体积的膨胀，还会使温度降低。当打开自行车气门芯放气，高压气体从气门芯喷出来时，气门芯的温度显著下降，甚至使表面结霜。这并不是自行车胎里面装着很“冷”的气体的缘故，而是高压空气从喷口喷出时体积膨胀引起降温导致气体中所含有的水蒸气冷凝所致。同样，当可压缩流体受压缩时，温度会升高。譬如，用打气筒打气，气筒壁会发烫。这并非皮碗与筒壁摩擦的结果，而主要是筒内空气被压缩，导致温度升高。

一个对高低温、高低压变化非常敏感的蒸汽动力循环系统，应该充分考虑体积、空间、流速、压力、温度等混合因素，充分利用这些因素之间的关系，实现高效率的热动力循环。

3 新的蒸汽动力循环

通过对朗肯循环特点分析，需要提出一种新的循环，首先利用非机械动力（至少是非电能）的方式实现对完成做功后的乏蒸汽进行再利用，其次充分利用气体体积、温度、压力甚至气体流速的关系，设法直接回收再利用冷凝热，未能通过汽轮机一次转化为功的热量有机会参与下一次做功循环，经过多次转化做功，系统效率趋向于100%，在理论上实现蒸汽动力循环整体热效率的大幅度提高。

3.1 新循环

新的循环采用类似气体放大器的装置实现对低温、低压乏汽的升压、升温、引流；再通过对凝汽器内外部乏汽分流，管路空间（流管）截面积重新安排设计，使得蒸汽乏汽传输过程中产生压差、温差，让低温、低压蒸汽吸收较高温度、较高压力蒸汽的热量，同时使得较高温蒸汽冷凝，较低温蒸汽吸热、升压并直接进入蒸汽再循环，冷凝水则通过高压锅炉再生为高压过热蒸汽，携带新补充的热能进入下一个蒸汽工作循环。

具体系统结构如下图。

结构说明：1.凝汽器；2.高压水泵；3.高压锅炉；4.气体放大器；5.汽轮机；6.发电机；7.乏汽总管路；8.待凝结乏汽入口；9.待降压乏汽入口；10.冷凝水管路；11.吸热升温乏汽出口；12.待吸入蒸汽入口；13.驱动高压高温蒸汽入口；14.再生混合工作蒸汽出口。

还可以采用下面的方式，改变凝汽器汽路，让全部蒸汽均进入凝汽空间后，再进入吸热管路，可以调整凝气量和再生乏汽温度。系统如下图。

经过两年多思考和相关领域的研究，这种新循环的理念、思路不断地完善，而且越来越简单明了，其实核心部件4气体放大器，应该就是一个利用高能量工质（超高压蒸汽）通过某种装置、系统，驱动低能量工质（低压乏汽），重新升压升温达到工作蒸汽（高压蒸汽）的要求，并且最终混合共同去做功。利用超临界蒸汽作为动力驱动系统实现蒸汽再压缩、低品位冷凝热回收利用，品位降低后的蒸汽再去驱动中低压蒸汽发电机组。如果使用蒸汽动力的汽轮-压缩机系统就更容易理解，如下图所示。

3.2 新循环的特点

首先，和朗肯循环相比，系统设计上就没有大量对系统外介质散热的环节，整体热效率会大幅度提高；

其次，朗肯循环实际应用中，近年来都是主要依靠提高全系统的压力来提高热电转换效率，从水泵开始全部工作过程都处于超临界压力之下，系统的制造技术难度增加、成本增加、安全风险增加。该新循环方式虽然锅炉的压力也是需要大幅度提高，但是锅炉的蒸汽发生量大幅度下降，高压蒸汽涉及的范围减少，高压蒸汽涉及的过程几乎没有机械运动、需要较多维护的机械部件，关于技术难度加大、成本大幅增高、系统安全性下降的问题得以解决；

从过程上看出，该循环可以适用于各种汽轮机机组压力，单次循环热-功转换效率变化，不影响系统整体效率，对安全生产有利；也可以用于现有中低压蒸汽发电系统，在保留核心系统的情况下，以最低的成本实现技术改造，改造过程还可以分阶段、分步骤实施。

4 能量守恒法分析

改进后的郎肯循环的动力、热力学分析相对复杂，我们完全可以首先应用用热力学第一定律（能量守恒定律）对它进行初步分析。

目前应用朗肯循环的热电厂能效如下图。

行业已知的数据表明锅炉、水泵、汽轮机、发电机整体效率损失合计约10%；冷端损失，即凝汽器冷却水带走的热量要占到50%以上，新的循环改进了凝汽器，采用了气体放大器（射流或科恩达效应），下面逐个简单分析这两个部件的能量变化、流动情况。

4.1 凝气器分析

该循环所用凝汽器结构与传统凝汽器相似，所不同的是吸热管路内部空间和凝汽空间的比例，前者应为后者空间、流管截面的数倍以上。假设乏汽通过两条相同截面积的管路分别接入这两个大小不同的空间，根据波义耳定律，蒸汽的压力就会发生差异，进入吸热管路的蒸汽膨胀比例较大，温度下降较多，加之受到空气放大器（或射流引流装置）产生的抽真空作用，压力、温度进一步下降，因此温度相对较低；进入凝气空间的蒸汽膨胀比例较小，温度下降较少，相对较高，吸热管路内外蒸汽存在温差，进行热交换；凝气空间的蒸汽放热冷凝，吸热管路内部蒸汽吸热升温，压力回升。

全过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

4.2 气体放大器分析

接入空气放大器的压力超百倍于乏汽的高温、高压、过热蒸汽从环形喷口高速喷出，膨胀、扩散，同时基于流体的粘滞作用、气体分子的混合、碰撞作用，依据科恩达效应，带动大量乏汽一起运动，两种蒸汽的动量、热量混合、交换，达到平衡。最后形成中温、中压混合汽流。

全过程也没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

4.3 汽轮机-压缩机分析

接入汽轮机-压缩机系统的超高压蒸汽，推动汽轮机工作，输出动力带动压缩机实现对乏汽的机械再压缩，乏汽升温升压；汽轮机的排气压力接近压缩机的输出压力，两组蒸汽最后形成中温、中压混合汽流，满足发电机汽轮机工作的蒸汽压力温度要求。

全过程也没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

5 进一步应用改进

针对不同应用条件变化，改进后的郎肯循环可以进行适应性调整，进一步满足工程应用的具体要求。

5.1 乏汽直接利用

该应用改进增加一个乏汽歧路、乏汽直供阀，实现对凝结乏汽的调整，必要时可以通过气体放大器直接再利用部分尚未膨胀、降温的乏汽。具体系统如上图。

新增加的设备和管路有：15.乏汽直供阀；16.乏汽歧管。

该过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

5.2 射流泵辅助凝汽

该应用改进通过使用射流凝汽泵，可以直接吸收再利用部分乏汽，由于射流压力较高，吸入的乏汽在混入高压冷凝水流后凝结，放出热量，使得冷凝水升温预热，同时也具有抽真空的作用。具体系统图如下：

新增加的设备和管路有：17.射流凝汽泵；18.中压冷凝水泵；19.射流输入口；20.待凝结蒸汽吸入口；21.射流输出口；22.凝汽器乏汽歧路。

该过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

5.3 涡流管应用

该应用改进通过使用涡流管，把排出的乏汽所含的能量进行分割，乏汽进入涡流管以后，分成高温、低温乏汽两路输出，冷的乏汽进入凝汽器的冷却管路后，去射流凝汽器凝结；射流凝汽器的凝结、抽真空作用使得低温乏汽在冷却管路中温度进一步降低，吸热性能更好。

高温乏汽一部分在凝汽器中把热量传递给冷却管路后凝结成冷凝水，经高压泵进入射流凝汽器，开始下一个循环；没有凝结的高温乏汽，可以通过气体放大器直接再利用。具体系统图如下。

新增加的设备和管路有：23.涡流管；24.低温蒸汽输出口。该过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

6 需进一步研究的关键问题

本文只是提出一个新的循环过程，并基于热力学第一定律进行了定性分析，如果该循环得到学术界初步认可，那么后续还有许多问题留待学术界讨论、研究，主要可能有以下几点：

6.1 凝气与再生蒸汽比例

改进后的郎肯循环采用部分凝气通过高压锅炉蒸发产生高温、高压过热蒸汽来驱动低温低压蒸汽，以蒸汽循环一个周期热电效率30%估算，需要补充约40%的热能。如果不采用蒸汽再热、过热系统，所有这些热能大部分由再蒸发的冷凝水承载。

如果假设气体放大器可以再生利用90%的蒸汽，必须冷凝的蒸汽量将约占10%。这10%的水，又会释放大量的热量，如果不用冷却水散热，则应该由剩余的90%余热蒸汽带回再循环中。因此需要进一步研究如何合理设计蒸汽流动过程的空间、截面积比例，控制好各个环节的压力、流量。

6.2 锅炉压力增加量

从气体放大器工作原理可以得知，改进后的郎肯循环驱动蒸汽压力应该是朗肯循环相应锅炉压力的10倍或更高，在有条件实现的情况下，越高越好！高压锅炉的研究，特别是结合空气动力学对锅炉结构进行改进，充分考虑动压、静压的关系，实现“动态升温”、“动态升压”，控制好高压锅炉技术难度，降低高压锅炉的生产制造成本。

6.3 其它工质选择

近年来，人们已经考虑采用水以外的工质实现郎肯循环，也就是选择沸点和临界温度较低或很低的物质（多是有机化合物），但是由于这些工质在自然界多数是不存在的，因此只能用于小系统，无法大量使用，因为一旦发生大规模泄漏，即便能自然分解，也对环境存在潜在威胁。但从某种角度来讲，说明人们已经开始思考传统产业的技术变革。

目前有人提出用液态空气代替水，对整个系统进行降温、保温，实现低温、超低温朗肯循环，采用自然界已有的热量作为能量来源使液态空气汽化膨胀。这个思路，如果和本循环结合，会大大降低液态空气的再液化量，使得新的工艺实用价值会大大提高，在储能发电、低温发电，甚至是环境热能发电技术上产生新的突破。

针对郎肯循环本身，这两百多年来也有很多细节的变化，各种回热、再热、过热手段均用于尽可能提高热-电转换效率和改善机组运行综合性能。这些努力在改进后的郎肯循环中也一样适用，在具体应用中也应该继续推广实施。

7 结束语

本文提出一个新的蒸汽动力循环方式，并做了简单的分析和论证，希望能引起同行的关注，对其中的热力学、流体力学过程进行进一步研究分析，共同利用现有的跨行业、多学科的先进成果技术，对传统基础理论进行再认识、再发展。

创新的角度，除了对郎肯循环理论进行发展研究意外，我们还应该对理论的应用同样进行突破和创新。这么多年来，火电厂越做越大、工作压力越来越高、能量越来越集中难以综合利用、系统造价急剧增加，这些是不是值得我们反向思考一下？如果我们每台工业锅炉、采暖锅炉都是一个小火电站，虽然发电效率并不一定很高，但都是先发电、后供暖，每个郎肯循环都实现全热利用，有必要造这么大的火电厂吗？有必要把电能、余热来回输送吗？

长期以来，我们往往给定理、定律强加一些“习惯”、“必然”，比如，能量守恒定律让我们想当然认为能量的获得只有消耗能源才能获得，忽略了能量还可以用“热泵”技术实现高效率“借用”获得；卡诺循环关于热机做功效率的理论上限就想当然成了热能利用全系统的上限；蒸汽机、内燃机都是高温下工作，想当然认为只有人类感觉高温的热量能做功、低温热能不能做功，忽略了热和功的单位都是焦耳，没有温度标记，类似的情况比比皆是。我们应该打破自己内心的条条框框，还定理、定律的本来面目，进行新的理论的应用创新。