“工程热力学”绪论部分教学内容设计

“工程热力学”绪论部分教学内容设计

陈煜

（上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 能源与动力工程系 201620）

摘要：“工程热力学”是一门非常重要的专业基础课，课程的“绪论”部分是这门课程的第一节课，也是实现后续课程内容有效教学的第一步。“工程热力学”的绪论部分内含能源及热能利用、能量转换的特点、工程热力学的研究对象及主要内容、热力学的发展简史、热力学的研究方法五方面的主要内容。通过绪论部分教学内容的设计，打破学生对于认为本课程难度大的固有印象，为同学们打开学习“工程热力学”这门课程的大门。

关键词：工程热力学，绪论，教学内容设计

“工程热力学”是一门以工程实践为基础，通过研究物质的热力学性质，来探究热力系统的能量转换规律的专业基础课程，课程的知识体系是今后解决工程实际问题的重要依据和工具。纵览该课程的教学内容，概念、定义和计算公式较多，理论性与逻辑性也非常强，是一门被老师和同学们公认的既难“教”又难“学”的课程，入门比较困难。

任何课程的“绪论”部分都是这门课程的第一节课，也是实现该课程后续内容有效教学的第一步，“工程热力学”绪论部分的教学也至为重要。该课程“绪论”部分主要包括能源及热能利用、能量转换的特点、热力学的发展简史、工程热力学的研究对象、主要内容与研究方法五方面内容。

1. 以能源以及对热能的利用为开端

理解能源的概念，并了解能源的分类与对应的类型是本部分内容的重点，对于能源与动力工程专业的学生而言，也显得非常重要。本部分教学内容主要包括两部分知识点，知识点一是能源的概念，知识点二是能源的类型。概念的理解需要引导学生认识到能源是一种物质资源。能源的形式多样，即包括传统的化石能源也包括现在越发得到人们关注的新能源。如何能够系统地认识并区分各种能源类型，就涉及到能源的分类方法。能源的分类方法较多，由于教学学时的限制，有关能源种类的教学内容主要包括，按照能量的来源分类、按能源的开发与制取方式分类、根据能源能否再生分类、根据能源的性质或使用方法分类、根据能源被利用的程度分类、按对环境的污染情况分类、按是否能作为商品分类。通过确定的能源类型和对应的具体能源，加深学生对于此部分内容的记忆和理解。

能源的利用将会围绕能源的直接利用和间接利用展开，从而引出“热能与机械能的相互转换”内容，再引导学生对于能量转换与守恒定律的认识，为后续章节内容的展开奠定理论基础。

2. 热力学的发展简史

在绪论部分的教学内容中，“热力学发展简史”在对于相对较抽象的其他绪论内容而言，能够逐渐激发学生对于本课程的学习兴趣，这就使得本部分内容的教学设计显得尤为重要。热力学发展简史的内容包括了热力学的诞生和发展，内容与知识点丰富，因此教学内容的组织可繁可简，需要根据学时安排内容，既要条理清楚内容详尽，也要能够唤起学生的学习兴趣，使其成为打开本课程学习大门的钥匙，不能成为学习的负担。

“热力学”英文一词的意义既包括了“热”的意义，也包括了“动”的意义，因此顺理成章地可以理解为由热产生了动力，从侧面反映了热力学起源于对热机的研究。从18世纪末到19世纪初开始，随着蒸汽机在生产中的广泛使用，如何充分利用热能来推动机器做功成为重要的研究课题。蒸汽机的诞生及发展的视频资料较多，可以适当引入或作为扩展学习材料通过网络教学平台向学生提供。该部分教学内容可以由两种方式展开，其一是以时间为线索，其二是以重大成就为线索，两条线索相辅相成，互为补充。从人类学会使用火到从猿变成人、18世纪蒸汽机发明到第一次工业革命、19世纪开始使用电力到电力已经逐渐成为现代自动化生产的基础、从20世纪70年代能源危机再到后工业化社会或信息化社会的建立。在两条线索的教学过程中，重点集中于学生对于推动“热力学”发展做出过重大贡献的科学家和其科学成就的认知。

例如，焦耳与焦耳定律、赫尔姆霍兹与其论证了能量守恒和转化定律的文章“论力的守衡”、卡诺与卡诺定理、克劳修斯、凯尔文与“热力学第二定律”、奠定了化学热力学基础的吉布斯与其论文“论多相物质之平衡”、范·德·瓦耳斯与状态方程、普朗克与普朗克辐射定律、能斯脱与“热力学第三定律”、昂萨格与不可逆过程热力学理论、普里高津与非平衡态的热力学等等[1]。

3. 工程热力学的研究对象及主要内容

工程热力学的知识体系可为后续专业课程的学习提供重要理论支撑。因为本课程能够揭示热能与机械能转换的规律，能够将原理、规律应用到工程中，解决具体的工程实际问题。此部分教学环节可以将本课程的重点内容简要地向学生介绍，并圈画重难点，让学生做到心中有数。

通过对教材主要内容的解读，帮助学生建立本课程的具体知识体系，即各个章节的主要内容及其各章节内容之间的关联关系。虽然工程热力学的优秀教材较多，但是主体的理论体系和知识框架还是相似的，即在了解工质热物性的基础上，利用热力学第一定律和热力学第二定律对热力过程和热力循环中的能量转换和转移进行分析，寻求能够提高能量转换和利用率的途径

[2]。

本课程第一章主要介绍热力系统、基本状态参数、平衡状态与状态公理、准静态过程与可逆过程、热量和功量、热力循环等基本概念，并对相似概念进行区分；第二章介绍理想气体与实际气体的性质，实际气体状态方程、对比态原理与压缩因子；第三章介绍热力学第一定律与稳态紊流能量方程的应用；第四章介绍了理想气体的热力过程及气体的压缩；第五章的核心内容为热力学第二定律；第六章是研究热力状态参数微分关系式；第七章介绍了水蒸气；第九章介绍了湿空气与混合气体；第九章为气体和蒸汽的流动。第十章动力循环和第十一章制冷循环。基本循环是工程热力学联系工程实际不可缺少的内容，是基本理论的应用部分。

4. 明确热力学的研究方法

热力学的研究方法分为宏观和微观两种。宏观方法不考虑物质内部结构对宏观性质的影响。微观方法采用量子力学和统计方法得到物质的统计平均性质，并得到热现象的基本规律。本课程只针对宏观方法展开。

5. 结论

绪论课仅是全部课程的开篇，具有承上启下的作用，并可以拉近老师和学生的距离，成就和谐的师生关系。通过教学内容的引入和深入解读，解决了学生“为什么学”和“学什么”的问题，激发学生的兴趣，吸引学生对课程的关注，为全课程的学习奠定良好的基础。

参考文献：

[1] 谭羽非，吴家正，朱彤，工程热力学[M]（第六版），中国建筑工业出版社，2016.7.

[2] 王海霞，毕文峰，工程热力学绪论课教学研究，中国冶金教育，2011，3：21-22.