化工热力学教学中工程能力培养的思考和实践

2022-09-12

化工热力学是化学工程专业的一门重要的专业基础课, 是在化学及与其相关的科学实验和工业生产实践中发展起来的一门理论性和应用性较强的课程。由于该课程基本概念和理论抽象, 计算公式繁琐而枯燥, 教学效果通常不很理想。随着科技的快速发展, 要适应未来社会的变化, 对于化工专业的学生, 着重要培养宽口径、厚基础、复合型的化工高级人才。除了传授知识外, 能力的培养非常重要。大学不是“职业培训班”, 而是一个让学生适应社会, 适应不同工作岗位的平台。在此期间, 专业知识固然重要, 但更重要的是要培养独立思考的方法, 培养举一反三的能力, 这样毕业后才能适应瞬息万变的未来世界。根据该课程的特点和时代的要求, 进行以突出“应用”来增强工程能力的开放式教学的初步探索和实践。

1 以培养工程能力为主的教学目标

热力学产生于18世纪的工业革命, 是能量合理利用的基础。随着化学工程的发展, 精馏、吸收、萃取及结晶等单元操作的计算, 其发挥重要作用。该课程把热力学的基本原理应用于化工领域, 测量、推算与关联热力学性质, 研究化工过程的可行性和能量的有效利用, 分析化工分离过程地相平衡和化学反应器的化学反应平衡问题。其中热力学基本原理概念抽象、公式推导多;而要解决的工程问题的计算大多比较复杂, 待解决的变量之间的关系往往是非线性, 致使计算困难, 需要针对实际情况进行合理的简化, 寻找解决问题的关键因素和方法, 从而化工热力学兼有理论性和工程性。

化工热力学是学生完成基础课后的专业基础课, 担负着由理及工过渡的特殊使命。[1]该课程很强的实践性和工程性, 对于以前一直习惯于以数学推理方法处理理想化模型的学生, 猛然转向处理复杂的实际工程问题, 需要有所转变。工程性问题与理论性问题解决问题的思路不一样:纯理论问题条件充分, 过程严谨, 结论唯一;而实际工程问题往往涉及多个变量及多种工程因素, 变量之间往往又存在着相互影响, 处理问题时很难面面俱到, 需要全面分析从复杂事物中抓住主要矛盾, 采用简化公式或经验半经验公式估算, 所得结论不具有唯一性, 并且所需的大部分已知条件需通过查阅资料获得。因此, 本课程在工程教育中具有重要意义, 需要引导学生进行纯理想化思维向解决实际问题的工程思维转换。通过该课程的学习, 使学生逐步树立工程观点, 培养他们解决化学工程问题的能力。

2 从解决实际问题的思路来启发工程思维

化工热力学要解决的问题主要有两大类:其一是以流体的热力学性质为中心的内容, 给出物质有效利用极限;其二是围绕着能量相互转换为基础的内容, 给出能量有效利用极限。围绕这两大问题, 依照由浅入深、由简单到复杂的原则有如下五大方面的教学内容: (1) 流体的P-V-T关系 (状态方程) ; (2) 纯流体热力学性质; (3) 流体混合物的热力学性质; (4) 化工过程能量分析; (5) 相平衡与化学反应平衡。这种由浅入深、从简单到复杂的模式也是化工热力学处理问题的一种很重要的思维方法。

化工热力学中大量存在着从一些简单现象出发, 建立数学模型, 然后对其进行修正, 用于解决复杂问题。如气体状态方程, 从最简单的理想气体体系方程P V=n R T出发, 考虑气体分子之间的相互作用及本身大小, 通过适当修正, 派生出可描述真实气体状态变化的方程, 如维里方程、范德华方程和R-K方程等。教学中使学生了解这种科学思维方法, 实现知识传授和能力培养的有机结合。因此, 在化工热力学抽象、复杂的背后是为了多快好省, 从局部的实验数据加半经验模型来推算系统完整的信息, 从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质, 从纯物质的信息利用混合规则求取混合物的信息, 以理想态为标准态加上校正来处理真实状态, 这些都要用到复杂的公式, 但可省却大量的人力物力, 避免了苛刻条件下的危险测试。理解了这些理论和方法的来龙去脉, 大家就能触类旁通、举一反三地学习其他知识, 达到无师自通的境界。

由于实际的工程问题复杂多变, 严密的数学分析或逻辑推理不能满足实际要求, 由此化工热力学一般采用确立热力学模型来求解。把经典热力学原理与反映体系特征的模型结合, 即“原理—模型—应用”为化工热力学解决实际问题的三要素。原理是基础, 应用是目的, 模型是应用中不可缺少的工具, 这是工程学科和基础学科的重要区别。因此, 解决实际工程问题的建模方法非常重要, 其过程实际上是一个在热力学概念、方法及定律指导下的一个建模过程。建模时一个重要的思路将复杂事物先简单化后不断校正, 如真实气体可以用理想气体加压缩因子来表达, 真实溶液可以用理想溶液加活度系数来表达。并且有时为了避开一些无法解决的问题, 还要采用变量转移法。“剩余性质”的提出就是因为得不到真实气体的热容数据而迫使变量转移的结果。教学中有意识的强调一些建模过程, 对于培养工程设计思维十分有益, 为将来处理错综复杂问题打下基础。

3 突出应用以加强从理向工的转变

化工热力学之前主要是自然科学知识, 只要具备数理分析能力即可。该课程使学生学会运用热力学原理去分析和处理化学工程中的实际问题, 涉及到基础理论和应用两部分。教学中如果仅注重原理的讲授和结论的推导, 学生感到很枯燥, 认为是“一大堆的数学符号, 没完没了的数据和无穷无尽的计算”, 是一门既枯燥难学又缺乏实际应用的理论课程。因此, 采用突出应用的启发式教学非常必要, [2]对经验的或半理论、半经验的公式采取只引用不推导, 避免陷于抽象的说教和枯燥的数学推导之中, 而把重点放在问题的提出和解决上, 使学生应用所学的理论处理一些实际的工程问题。

课堂教学中可结合一些实际的案例和适当地引入与之相关的科研内容, 讲授时理论与实际相结合, 巩固学生对基本概念和原理的理解, 开阔了视野, 让学生感受到该课程对生产实际的指导作用, 培养和提高了学生的实际应用能力。例如, 提高高分子材料的使用温度 (熔点) 的问题, 根据热力学, 材料在熔点T发生熔融过程是可逆过程, 则△GT, P=0, 由于△GT, P=△H-T△S, 熔点T=△H/△S, 其中△H熔融热, △S为熔融过程的熵变。要提高熔点就要设法使△H增加、△S变小。可能的方法: (1) 增加分子间相互作用, 使△H增加。如可以通过在主链上或侧链上引进极性基团来增加高分链段间的相互作用。聚乙烯, - (C H2) n-的△H=3 8 7 0.2 J/mol, 熔点是137℃;而尼龙66, - (OC (CH2) C O N H (C H2) 6 H N) n-相当于在聚乙烯主链上引进极性基团酰胺基, 因而△H增到46442.4J/mol, 熔点升高到265℃。增加高分子链旋转的阻力, 使熔融后分子的混乱程度减少, 即△S变小。可以通过在主链上引进环状结构如苯基等, 使链段旋转更难, 提高熔点。如在聚乙烯的主链上引入了苯基的聚对二甲苯, 熔点从1 3 7℃增加到了3 7 5℃。

此外, 由于化工热力学所涉及的计算较为复杂, 参数众多, 人工计算困难且易出错。采用一些教学软件让学生通过计算机计算, 不仅增强他们对化工热力学学习的浓厚兴趣, 而且锻炼了他们应用计算机进行数值计算的能力。对学有余力的学生, 还可让学生自己编程计算, 提高利用计算机解决实际工程计算的能力。

4 开展导向型的专题研究和讨论培养解决实际问题能力

随着科技的飞速发展, 化工热力学的研究已经向材料、生化、能源、信息与环境等领域扩展, 所处理的对象也从一般的无机、有机分子扩充到各种大分子、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, 还涉及临界和超临界、微孔中的吸附态等。因此, 在教学中, 除常规知识外, 需要引导学生对新进展有所了解。通过开展导向性的专题研究和讨论, 有助于学生拓宽知识面、了解学科发展前沿, 学会解决实际问题的方法。[3]

就化工热力学的一些重要问题和发展方向, 鼓励学生结合所学选择自己感兴趣的专题撰写小论文进行交流。在教师的引导下让学生利用图书馆及网络资源, 自己查找与所选专题相关的文献资料, 进行整理、综合、归纳完成专题论文的撰写。在专题交流中由学生自己汇报论文内容, 给学生撰写专业论文及语言表达能力提供了一个舞台。由于学生自己从资料查找、论文撰写以及汇报演讲进行了全程的训练, 他们会有很深的体会, 就如一句谚语所说, “我听到的会忘掉, 我看到的能记住, 我做过的才真正明白”。在科技发展日新月异的今天, 应用领域里很多看似高深的技术在几年后就会被新的技术取代, 学会熟练使用图书馆和网络资源, 这是工程人员必须具备的科学素养和技能。

在此开展了超临界流体和化工节能专题研究和讨论。超临界流体 (SCF) 是近年来研究的前沿领域, 此专题训练了学生自我获取新知识到能力。超临界态是物质除固态、液态和气态外的第四种状态, 具有许多独特的理化性质。在工业上的广泛应用, 如S C F萃取技术、S C F反应技术、超临界水氧化技术、S C F结晶技术、S C F发电技术、S C F冶金技术、S C F液化煤技术、S C F印染技术、S C F色谱技术、S C F成矿技术等。[4]

化学工业作为耗能大户, 由于全球能源需求的急剧增长及世界性的能源危机, 节能已被提到一个全球性的战略高度予以重视。热力学第二定律是化工过程能量综合利用和节能的理论基础, 其从熵的基本概念、定性与定量表达方法出发, 引申出熵产、理想功、损失功和有效能等基本热力学量来评价实际化工单元过程和装置组合。在专题讨论中引导学生结合课程中节能内容运用经济优化原理, 分析一些实际项目的优化设计。不仅使学生更深入理解专业知识, 而且有了效益分析的概念, 为今后进行正确的工程项目决策打下基础。

5 综合的考核方式以保证培养工程能力目标的实现

考试是教学过程中的重要环节, 对学生如何进行评价, 考什么, 怎样考, 是教学过程的指挥棒。以期末一张考卷为准的考核方式容易使学生处于考前突击, 考完就忘的读死书的现象, 不利于学生能力的培养。在确立侧重培养工程能力的目标下, 本课程采用综合考试方式, 将期末考试、平时学习与专题讨论成绩结合起来评判。期末考试考查学生对所学知识的掌握程度, 占总成绩的7 0%, 采用开卷方式考试, 考试的题目偏重于理解和应用, 着重考核学生应用所学知识提出问题、分析问题和解决问题的能力。平时学习占1 5%, 包括完成作业和出勤状况。专题讨论占1 5%, 包括小论文写作和上台演讲。

6 结语

随着科学技术的飞速发展, 对化工热力学的教学也提出新的要求, 通过上述措施, 训练了学生获取新知识本领, 培养了学生解决实际工程问题的能力。这些解决实际问题的思维和能力不仅对以后从事化工有用, 而且也就如美国G E前C E O杰克·韦尔奇所说, 化工是商业的最好背景一样, [5]其对各种职业具有重要意义, 使学生能更好地适应未来社会的要求。

摘要：化工热力学是化学工程专业一门由理及工的专业基础课, 在工程教育上具有重要意义。本文通过着重阐述内容间的逻辑关系、突出应用特色、开展导向性的专题研究和讨论、以及综合考核方式, 在本课程教学中对学生工程思维和能力的培养进行了初步的探索。

关键词：化工热力学,工程能力,应用,专题讨论