化工热力学01

2007年第1期(总第93期

)

化工热力学教学的实践与体会

郑立辉,韦一良,宋光森,高新蕾

(武汉工业学院化学与环境工程系,湖北武汉430023)

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[摘要]、,方法和应用热力学原理解决问题的自信心,。

[关键词]化工热力学;教学;经典热力学概念　　的专业基础课,,学生普遍反映化工热力学概念多、公式多,内容抽象,不易理解,与应用联系少,很多学生认为化工热力学是化工专业中最难学的一门课程,学习效果不理想,不仅给后续课程的学习带来消极影响,而且影响学生的自信心。

我们认为化工热力学教学的任务是在巩固、深化经典热力学知识的基础上,实现三个转变,即:从理想体系向非理想体系的转变,从隔离体系、封闭体系向敞开稳流体系的转变,热力学性质的计算从以公式为主向以热力学图表为主的转变,掌握经典热力学解决问题的方法,培养学生应用热力学原理和方法解决实际问题的能力。

一、重视热力学概念教学和思路的引导每个学科能够存在、发展,说明每个学科都有自己的知识体系和独特的解决问题的方法,这些体系和方法体现在每个学科的基本概念上,每个概念的产生都有其深刻的背景和涵义,讲清这些概念的来源、背景和意义,对于理解每个学科的基本内容,掌握其精华都极为重要。热力学也是如此,热力学中重要的基本概念很多,如广度性质、强度性质、隔离体系、封闭体系、敞开体系、可逆、循环、内能、焓、熵、吉布斯自由能、状态函数及性

质、偏摩尔量、化学势、逸度、理想溶液、理想气体、

相律、理想功、有效能、损失功等等,只有深刻理解其内涵,才能掌握热力学的精华。对纯物质两相平衡的处理中,往往是推出两相的吉布斯自由能相等,其实是两相的摩尔吉布斯自由能相等,但学生对此往往重视不够,印象不深,实际上在利用dG=-SdT+Vdp推出dG=(RT/p)dp以后,实际上已引入摩尔自由能即化学位的概念;对偏摩尔量是强度性质认识不到位,对纯物质而言,摩尔吉布斯自由能就是该物质的化学位,某物质的偏摩尔量吉布斯自由能就是该物质在混合物中的化学位等认识不清楚,也导致对相平衡、化学平衡等概念产生错误理解。

引导学生思路对于教学效果有重要影响。如流体的PVT关系一章,根据实验数据绘出的纯流体的PVT图、PV图、PT图如何构成、图中各个点、线、区域、面的含义至关重要,是认识流体PVT关系的基础,在讲清楚物理模型的基础上引入求解流体PVT关系的两种方法—状态方程法和对应态原理,分析两者的优缺点,告诉学生解决PVT关系的方法,这样可以避免学生陷入公式细枝末节的包围中,明显提高理论课教学效果,对学生搭建热力学知识框架十分有益。

二、充分运用解析、图解、表格等形式深化对

[作者简介]郑立辉(19632),男,副教授,硕士;韦一良(19612),男,教授,硕士;宋光森(19632),男,教授,硕士;高新蕾(19722),女,副教授,博士。

3湖北省教育厅教学研究项目成果,项目编号20060318

。

热力学概念和方法的理解,重视发挥理论的指导作用

热力学的概念和方法可以用不同的形式来表示,最常见的是解析方法、设计热力学过程、热力学图表,分别称之为解析、图解、图表热力学,这三种方法各有其优势,互为补充,关键是要从本质上建立起三种方法之间的联系,使其融为一体。在教学过程中老师的正确引导、恰当运用,对于掌握它们之间的联系非常重要,如纯流体的PVT关系常常用图来表示,应用相律分析图中点、线、面、区域的涵义的内容比较熟悉,但建立起各条线的斜率与克劳修斯方程的关系不为人注意,从中引出Antoine方程等内容的更少,分析三相点时气、液、被忽视;如温熵图、析各点、线、;;一定质量纯气体的PVT以用图解方法,也可以用解析方法解决,两者同时应用更易体会到热力学处理问题的方法和特点,加深对热力学的理解。

在实际问题中,注意发挥理论的指导作用。比如相律不仅用于相图中,而且也可以解决以下问题,状态方程是表示纯流体PVT之间关系的一种方法,状态方程中的体积究竟是广度意义上的体积还是强度意义上的体积需要老师来引导,使用相律很容易分析出纯气体或纯液体的状态方程中的体积只能是强度性质意义上的体积;热力学性质表如饱和水蒸气表中,为什么温度或压强确定后,互相平衡的两相的性质只列出比(或摩尔)性质而不是广度性质,而且比性质具有确定值,可以应用相律来解释;相平衡的计算为什么要确定一些强度性质再计算另外一些强度性质,同样可由相律来说明。

总之,对熟悉并已掌握的内容抽象化,使其上升到理论高度,对抽象的问题具体化,化难为易,提高教学效果。

三、将热力学建模方法融入教学过程,着重培养解决热力学问题的能力

只有通过反复实践应用,才能掌握一门学科处理问题的方法,对于抽象的热力学更应如此。状态函数、热力学关系、PVT关系、化学位、可逆过程、平衡关系等是经典热力学的主要方法,实际

上也是一种热力学建模方法,贯串于整个热力学

学习、应用中。如在讲解剩余性质或偏离函数时设计不同的热力学过程,利用热力学基本关系、麦克思维关系计算相关量的变化,既讲清了基本概念,又利于掌握状态函数的性质、热力学关系、热力学的基本方法,实际上也是熟悉、掌握热力学建模方法的一个过程。纯液体逸度的计算可以在虚拟的理想气体状态和研究状态之间设计一个热力学过程来完成,这样做对于掌握热力学处理问题方法十分有益;在理想功、、敞开体系的能量平衡、熵平衡方程、。

、系统的方法,由此延伸、活度、理想溶液、理想稀溶液、偏摩尔量、标准状态或参考态、化学势等概念莫不如此,这些概念的提出并没有改变实际问题的本质,比如用利用活度或逸度概念处理相平衡时,实际气体或实际溶液中的组分与所选的理想(假设或虚拟)模型之间的化学位的差值定义为RTlnφi,

γRTlni而逸度系数或活度系数的求取目前仍然主要依靠根据基本概念建立起来的严格方法,结合研究的体系进行实验测定来解决,即主要是半理论半经验的方法,这种方法也是目前化工热力学用于解决工程问题的主要方法。为完全从理论上解决这些问题而进行的探索如流体的PVT模型、溶液模型的研究意义重大,但实验也是解决问题具体问题必不可少的手段,而且各种模型正确与否仍然要靠实验最终来验证。

热力学概念、热力学方法及热力学定律构成热力学的主要内容,处理热力学问题的过程实际上是一个在热力学概念、方法及定律指导之下的一个建模过程,化工热力学教学过程本身有意识的引入、反复应用建模过程,对于提高理论课教学质量、培养解决热力学问题的能力十分重要。

四、充分利用教材内容进行教学,加强与应用联系,培养初步的工程观点

水的饱和性质表、过热蒸汽表、压缩液体性质表等内容既可以用来讲解表的编制原理,也可以用来讲解、巩固相律等知识,还可以用来学习验证流体的PVT关系,当然也可以利用饱和水性质表中的相关数据绘制饱和水的温熵图、焓熵图等等,如利用饱和水性质表中的相关P、T数据结合

理想气体状态方程计算饱和水蒸气的比体积,将

其与饱和水性质表中的数据进行比较,自然体会到理想气体状态方程的不足和限制;注重与工程问题的结合是化工热力学教学中要注意的一个问题,因为部分学生认为化工热力学过于抽象、用途不大。可以设计一些问题:如设计一个丙烯贮罐,问该罐的承压至少要达到多少帕斯卡?为什么?应用Antoine方程可解决这个问题,考虑当地极端气温及一定的耐压裕量,可以初步确定该罐的耐压范围,为贮罐的设计提供依据;Antoine方程还可以用来测定确定氨、乙烯或丙烯等工业上使用的制冷剂在常压下所能达到的最低温度、在一定温度下蒸发时所需控制的压力等等,当然也可用来确定液相本体法生产聚丙烯过程中,系;可由Rackett方程来引入并进;又如,液体蒸发制冷时,由于单位质量纯液体在不同压力下的汽化焓不同,单位质量液体所能提供的冷量是不同的,单位质量液体究竟能提供多少冷量,可以通过Watson所提供的经验式计算,也可以利用压焓图计算,从中可以体会使用各种图表的优点,以及热力学解决问题的方法的多样性;因温度升高,液化气体积膨胀对充满液化气的气瓶压力的估算,即恒容时体系压强随温度的变化的计算实际

上是计算,可以利用PVT三者之间的循

V环关系来计算,在计算中要用到液化气的膨胀系数和压缩系数,而膨胀系数和压缩系数可由Pit2zer的三参数压缩因子表估算出来,这些问题的提出和解决对于培养初步的工程设计观点十分有益,同时也会大大增加学生学习化工热力学的兴趣。五、重视实验教学环节,深化理论教学内容实验教学对于学生理解化工热力学基本概念、化工热力学处理问题基本方法等有着重要作用,如二氧化碳临界状态观察及PVT关系测定实验中涉及到的饱和液体、饱和蒸汽、压缩液体、过热蒸汽、临界点、超临界状态等概念,如何用实验方法测定这些物理量,只有深刻理解其含义,才

能知道如何去做实验,在撰写实验报告时要求学生根据修正的Rackett方程计算饱和液体二氧化碳的比体积,利用文献数据回归出cailletet2math2

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ias公式ρ+ρ=1026.7223-2.9136×t,式中密度单位为每千克立方米,温度t的单位为摄氏度,可以计算相应温度下饱和蒸汽的比体积,从而可在PV图中根据实验测定值绘制出数条等温线,根据上述公式计算出的饱和液体线、饱和蒸汽线,并可以将实验测定值与文献值进行对比;同样,根据实验数据利用Wilson方程的关联都,。

,,建立起不同热力学表达形式之间的联系,加强实验教学,多管齐下,才能不断提高教学效果,提高学生应用热力学基本原理、基本方法及思想,解决实际工程问题的能力和信心。

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