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化工熱力學內容較多，而教學時間有限，這就要求教師要打破傳統的授課體系，注重各章節知識的橫向聯系，深入對教學內容加以研究，挖掘教學內容深層次內涵，將書本上的內容提煉出來講給學生聽。比如在講述偏離函數的時候，要把偏離函數和狀態方程以及對比態原理、常用熱力學基礎數據結合起來，推導合適狀態方程下的偏離函數，并求取常數值，指導和鼓勵學生們用臨界溫度和臨界壓力，對比溫度和對比壓力，偏心因子和基礎數據估算熱力學過程。這樣整個課程通過偏離函數就可以形成有機統一。對于課程中的封閉系統和敞開系統，同學們在物理化學中并沒有太多深刻認識，在課堂上我拋出化工工藝學中的氨合成，這樣的問題使同學們感受到課程間的相互銜接。對于氨的合成，同學們都知道N2+3H2→2NH3，在反應平衡之前，組成都在發生變化，在反應之前和反應平衡之后，組成都是不變的，這幾個狀態下系統的研究和學習，有助于同學們對化學反應的整個過程的熱力學性質的計算，包括均相封閉系統和均相敞開系統的聯系與區別。

3多媒體教學和互動教學結合

多媒體教學是現代化教學手段，靈活有效使用多媒體教學可以使抽象的概念具體化，提高教學的有效性，在教學過程中，由于教學內容過多，如果采取大量板書教學，勢必會影響教學進度，同時該門課程要向同學們展示大量化工設備圖片，必須要采用多媒體教學。大學教學必須要師生互動，而師生互動教學的關鍵在于教師的提問，所以要設計多層次多方面適合教學內容的問題，問題設計有難有易，可以促進整個班上不同層次的學生的思考，問題都設計的簡單，學的較好的同學就會無所事事，問題都設計的難，跟不上節奏的學生會一臉茫然失去學習興趣，好的問題可以幫助同學們從多層次多角度思考問題，化工熱力學的精髓實際就是能量利用和節能減排的時候，同學們對于能量利用還有基本的認識，因為在物理化學里面就談到了反應的方向和限度。但是對于節能減排，卻沒有深刻認識。結合國家目前大力致力于關轉停高耗能和高污染企業，并提倡綠色工業和綠色居住，同學們了解到能量利用和節能減排已經上升到國家戰略高度。對于能量利用，要有實例，比如向大家介紹1摩爾水在氣化完之后是水在液態的時候體積的1603倍，而體積增大正好做工，正是因為如此，蒸汽機才能帶動火車，實現第一次工業革命。基于此，激發同學們想到汽油作為工質做工，讓汽車跑的更快，讓飛機飛的更遠，讓輪船遨游大洋。舉一反三，這些都是同學們在日常生活中時時碰到，原來能量利用是如此重要。正是因為能源的普遍利用，國內自然環境正經歷倫敦霧都在第一次工業革命的陣痛，節能減排和能量合理利用就尤為重要。

談節能減排和能量合理利用很重要，這是同學們必須要慢慢接受的觀點，要深入大腦，案例很重要。比如說煤礦的使用帶來了大量粉塵和大量排放和地質危害，所以國內正在大力開發煤制油的技術以及更清潔的原料天然氣。而石油的地下存量已經在減少，大慶油田已經進入老年，這也告訴同學們石油和煤礦，天然氣這些能源都是不可再生，總有用完的一天，同時這些不可再生的能源都有一個害處，就是燃燒之后有二氧化碳和一氧化碳的排放，都臭氧層有很大的破壞，地球的溫度在上升。那么有沒有什么好的替代能源呢，同學們普遍感興趣，而且也是科技工作者共同的難題。這個時候我會在適當時候拋出水制氫這樣一個最簡單的課題，作為老師是知道現在很多研究小組都在研究水制氫的課題，也是科技界的熱點和難點。但是對于同學們而言，同學們會認為這是一個多么簡單的問題，只要電解就可以實現。

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0 引言

隨著人們節能意識的不斷提高，為了獲取更大的經濟效益，人們將熱力學原理應用于工程實際各能量系統的分析中。能量系統的熱力學分析是根據熱力學原理對各種能量系統進行研究分析，以明確系統各部位的能量損失狀況，求取各種性能指標，對所研究的系統進行客觀評價。

1 熱力學分析的方法、內容

熱力學分析的方法主要包括兩種：以能量平衡為基礎的叫做能分析法，它是傳統的分析方法，依據熱力學第一定律，建立在能量“量”的守恒上，對熱力系統進行分析。而以平衡為基礎的叫做分析法，是近些年發展起來的一種方法，依據熱力學第二定律，是對能量“質”的分析[1][2]。

1.1 能分析法

能分析法是以熱力學第一定律為基礎，應用熱平衡原理，并以熱效率為基本評價準則，分析、評價系統能量有效利用狀況的方法。它依據能量系統建立熱力學模型，進行能量平衡計算，得出系統的熱效率和各項熱損失，得到系統熱損失的分布，從而找出系統中熱損最大的薄弱環節和部位，為改進設備和系統的用能狀況提供技術依據。

1.2 分析法

分析法是以熱力學第二定律為基礎的熱力學分析法。它是依據能量中的平衡關系，列出平衡方程并求解，通過分析，揭示能量中的轉換、傳遞、利用和損失的情況，確定出該系統或裝置的利用效率。

分析法的主要內容有[3]：

①進行物流、熱量衡算，確定輸入、輸出體系中各種物流量、熱流量、功流量以及各物流的狀態參數（如溫度、壓力、組成等）。

②流計算。

③由平衡方程確定過程的損失。

④確定效率。

參與用能系統的流，可以分為三類，即輸入流、輸出流和系統內流。

①輸入流類：是指由外界的源，物流穿過系統邊界而進系統的。

②輸出流類：是指由系統通過邊界向外輸出的。

③系統內部類：是指系統的輸入于輸出之差的部分。

1.3 兩種熱力學分析法的比較

兩種熱力學分析方法都是通過輸入輸出，有效利用能和損失的平衡，求解系統的總損失，進而確定損失的分布。并通過計算出的效率有效利用率來評價系統的完善程度。但能分析法只是從不同質的能量在數量上的守恒來計算損失，因而只計算外部損失而忽視了內部損失，其評價指標也只是計算了被利用部分能的數量和輸入能的數量而忽略了其質量的變化，即忽略了過程的不可逆性所帶來的損失。而且能效率的分子分母常常是不同質的對比，不能準確地表征能量的利用程度，而效率和分析法正好能解決上述缺陷，所以分析法要比能分析法更科學、更深入也更全面，它能準確地揭示損失的原因、部位以及指出改進方向等。分析方法既可以進行系統分析，又可以進行優化綜合，它可以很便捷地進行系統優化，與經濟因素結合后還可作設備全壽期成本統計等[4]。

隨著節能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、熱能動力、制冷技術、石油化工和冶金等許多領域得到了廣泛的應用。目前，有些國家已經將方法用于熱力系統的熱經濟分析當中，而我國火電機組熱力系統的分析方法實際上都是基于熱力學第一定律的分析方法，其存在的缺點是不能揭示內部不可逆性大小，不能反映能質的蛻變情況，不能體現不可逆性對經濟性造成的影響。因此對熱力系統進行研究分析，根據分析結果所提出的問題采取相應的措施提高熱力系統的熱經濟性，具有十分重要的現實意義[5][6]。

2 鍋爐系統的熱力學分析

2.1 原始數據

某電廠鍋爐，其出口蒸汽壓力為p=13.72MPa，溫度為330℃，給水溫度tw=215℃，尾部排煙溫度為135℃，過熱蒸汽量為410t/h，空氣預熱器出口空氣溫度為226℃，爐膛過剩空氣系數為1.1。理論空氣量為4.907m3/kg，每小時燃煤量為58298kg，其燃煤的低位發熱量QL=18636

kJ/kg，全水分ω=4.9%。環境溫度為19℃，依據上述數據分別對此鍋爐系統進行能分析和分析。

2.2 分析計算

設圖中mf、ma、ms、mg和mw分別為燃料、空氣、蒸汽、煙氣和給水的質量流量；而ha、hs、hg分別表示相應物質的焓，QL為燃煤的低位發熱量，QB是損失的熱量；ef、ea、es、eg和ew表示相應各物質流的比，IQ為向環境散失熱量而引起的損失。由題設得：mf=58298kg，ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg，ms=410000kg，不考慮鍋爐排污損失mw=ms=410000kg，由已知溫度查表得：

ha=509.4kJ/kg sa=7.2245kJ/（kg?k） hs=3469.8kJ/kg，ss=3.5449kJ/（kg?k），hw=598.4kJ/kg，sw=2.4747kJ/（kg?k），ha=292.25kJ/kg，so=6.6732kJ/（kg?k）

圖1 鍋爐的能量平衡

圖2 鍋爐的平衡

按照圖1所示的鍋爐能量平衡關系，得出能量平衡方程：

mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB （1）

其中QB、mghg為損失的能量，而mshs-mwhw=ms（hs-hw）為有效利用的能量，則該鍋爐的能效率為：

η=

=

=1.91（2）

按照圖2所示的鍋爐平衡關系，可以寫出下面的平衡方程：

mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB（3）

式中IB表示整個鍋爐內部過程總的損失。考慮到mw=ms，則鍋爐內部過程總損失為：

IB=mfef+maea-ms（es-ew）-mgeg-IQ（4）

該鍋爐的目的效率η應為：

η= （5）

由于es=（hs-h0）-T0（Ss-S0），ew=（hw-h0）-T0（Sw-S0）兩式相減得：

es-ew=（hs-hw）-T0（Ss-Sw） （6）

用（5）對應除以（2）可得：

η=η （7）

將（6）式代入上式，則有：

η=η（1-T0） （8）

代入數據得：

ea=（ha-h0）-T0（sa-so）

=（509.4kj/kg-292.25kj/kg）-292.3（7.2245-6.6732）

=56.01

η=η（1-T0）

=0.91（1-）

=0.69

3 結論

從以上的計算結果可以看出，雖然是對同一臺鍋爐進行效率計算，但能效率和效率相差很大，能效率為91%而效率僅為69%，能效率的計算主要取決與鍋爐排煙向外界散熱的多少，主要考慮的是能量“數”的變化。但效率則不同，它不僅考慮了鍋爐燃燒過程中的外部損失，而且考慮了燃燒、傳熱等鍋爐內部各個過程所造成的不可逆損失。實際上，蒸汽鍋爐的損失中最大的一項就是燃料燃燒和傳熱造成的損失，所以雖然從能效率即能量的數量上來看鍋爐損失的不多，但這部分能量都是高品位的能量，價值都很高[7][8]。

由此可見，效率比能效率更能完善地反映鍋爐的熱經濟性。所以，通過系統分析計算，找出損高的部位，采取相應措施進行改善。對目前我國火電機組熱力系統分析具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]鄭體寬.熱力發電廠.中國電力出版社，2001.

[2]郭民臣，魏楠.電廠熱力系統矩陣熱平衡方程式及其應用[J].動力工程，2002，22（2）：1733-1738.

[3]杜亞榮.600MW機組熱力系統的熱力學分析與優化.碩士學位論文，保定：華北電力大學動力系，2007.

[4]朱明善.能量系統的分析.清華大學出版社，1988.

[5]林萬超.火電廠熱系統節能理論.西安：西安交通大學出版社，1994.

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在教材中完善的同時，及時更新化工專業英語的教學大綱和課程教授內容的PPT制作。在此主要強調PPT的模塊式教學，將課程的教授分成八個系列專題報告，每一個專題可以論述一個具體領域的概況，便于學生更全面地認識化學工程與工藝專業究竟是一個怎么樣的行業。結合學生已修過的《化工熱力學》、《化工原理》、《分離工程》、《潔凈煤技術》、《化工設計》、《石油煉制工程》專業課，尤其是煤化工(煤制油、煤制天然氣、煤制甲醇、煤制烯烴)、煤層氣綜合利用、清潔油品生產、生物質能轉化、稀土潔凈化生產等領域發展，列舉出各個領域中典型的工藝進行介紹，可以更加深刻理解各個工藝過程。比如，專題報告五主要介紹聚丙烯聚丙烯產品的特點和用途，生產工藝的具體流程和特點，以及催化劑的特性。專題報告教學模式(圖2)的教學更能提高學生對于前言工藝和典型的認識和熟悉，為學生步入社會和工作崗位奠定一定的基礎。

3科技論文寫作的初步入門

通常情況下，科技英語論文文章結構嚴謹，文體形式多樣化，如論文、論述、實驗報告、教材、專利、說明書等，文章尊重客觀事實，多以敘述原理，描述自然現象為主，用詞嚴謹、理論推導多、表達明確、邏輯性強。為此，從化工領域的期刊中(比如，Industrial&EngineeringChemistryResearch.，AIchE，Energy&Fuel等)中選取幾篇文章，每篇論文的大體框架基本為題目、作者及地址、摘要、前言、實驗部分、結果與討論、結論、致謝、參考文獻等九個部分，然后進行閱讀講解，著重介紹閱讀過程中如何迅速把握論文的重點，哪些需要精讀，哪些需要略讀，在此基礎上才能有效提高閱讀論文的效率。在熟練閱讀的基礎上，針對以上的論文框架，展開具體每個部分應該怎樣去寫，并進行舉例說明。每講完一部分，需要給出一個題目，要求同學們一起來討論并給出一個具體的寫作方案，這些全部都要求學生在課堂上完成，這樣便于及時消化內容，達到趁熱打鐵的效果。在學期末組織學生模擬參加一次國際學術會議，將課上的同學分成幾個大組，各組的學生可以在課下利用課余時間搜集一些針對化工領域的相關材料，親自動手組織和編寫材料，制作PPT，并與其它組的學生進行交流和講解，這樣既能使學生及時了解當今世界最新科技動態，又能將本人在專業領域研究的新成果和新思路直接與同行進行交流。這樣也可以打破傳統的以教師為主的劣勢，充分發揮學生的主觀能動性和團隊協作能力，從讀、寫、講上突破自我，更加適應專業英語對于化工專業人才的培養。

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至上世紀末，我國熱工課程開設的情況是：有150余所高等工業學校開設熱工類課程，分布在除臺灣、、青海三省區以外的境內高校。全國熱工課程教學的一般情況是：(1)熱工課程的設置主要在能源動力類、石油化工類、航天航空類、土建類、交通運輸、輕紡食品等大類專業；(2)熱工教學實驗以驗證性為主，測試手段比較落后，設備比較陳舊：(3)已經出版了一批由我國作者自行編寫的工程熱力學、傳熱學與熱工學教材。

6年多來，經過“211工程”、“985工程”建設項目的支持，我國熱工實驗教學情況有了較大改觀，開課的大類專業面有所擴大，機械類專業目前大多開出了少學時的熱工學課程。同時通過教育部組織的面向21世紀教學內容和課程體系的改革，以及21世紀初高等教育教學改革項目的實踐，出版了一批面向21世紀課程教材，使我國熱工課程教材的內容有了較大的更新，編著水平也明顯提高。在近十年中，國際上工業先進國家也同時在進行著類似的改革，并出現了一批比較優秀的新教材。與這些先進國家的熱工課程教學和新教材相比較，我國還有一定的差距，某些方面差距還比較大。

本文在簡要回顧了熱工課程教學的歷史后，著重介紹和分析了工業發達國家近十年中熱工及相關課程的教學與教材編著情況，最后提出作者的意見，以求教于國內同行專家和教師。

一、國外、境外熱工課程教學發展情況

1．熱工課程教學的歷史

近代熱科學的產生與初期的發展集中在歐洲國家。根據文獻[1]的觀點，熱科學研究的起源可以追溯到Galileo時代(1592)，而且早期熱學作為物理學的一部分，熱力學與傳熱學的研究是溶為一體的，例如Boltzmann從熱力學證明了Stefan由實驗得出的輻射四次方定律。又如熱力學第二定律的創建人之一Kelvin在1862年用以下的方法來估算地球的年齡：假設地球之初是溫度均勻(3900℃)的圓球，熱擴散率為常數，取為巖石沙礫之值，利用Fourier導熱微分方程，按半無限大物體計算，從初溫冷卻到目前地層深處的溫度梯度(1℃／27．8m)需要9800萬年。按現代的觀點看，Kelvin顯然求解了一個傳熱學的問題。

無論熱力學還是傳熱學，其發展都經歷了從“科學”到“工程”的過程，即，從初期作為物理學一部分的熱學演變、發展成密切結合工程實際的“工程熱力學”與“工程傳熱學”。以傳熱學為例，[2]在19世紀的物理學中熱量傳遞方式只有導熱與輻射，其基本定律均已得到解決。然而大量的工程問題中還遇到流體與固體間的熱交換，雖然牛頓早在1701年就提出了對流換熱的初期思想，但并沒有真正解決工程計算問題，一直到進入20世紀，經過一批主要是德國科學家的努力，包括Prandtl、Karmann、Nusselt、Blasius以及后來的Eckert，也有前蘇聯科學家(如Kirpichev等)的貢獻，傳熱學開始由“科學”演變成“工程”，其中整理試驗數據的量綱分析方法或相似原理引入傳熱學的對流換熱是一個標志性的轉折。第二次世界大戰后，傳熱學的研究中心由德國轉移到美國，其中Jakob、Karmann及Eckert三位德國科學家的移居美國起了很大的作用。歐美國家工程熱力學與傳熱學課程的開設始于何時，暫時無法查考。就教材而言，最早的一本傳熱學可能是德國科學家Grober的著作(1921)。[3]然而影響較大的要推McAdams的“Heat transmission”(1933)。[4]隨后Jakob與Hawkins的教材，[5]Eckert的教材[5]相繼問世，成為20世紀40～50年代的代表作。Holman的傳熱學第一版出版于1963年。[7]此后歐美以及前蘇聯的傳熱學教材出版情況可見文獻[8]。

2．近代熱工課程開設情況

到20世紀80年代后，工程熱力學與傳熱學已經成為歐美國家機械類學生的必修課，有的學校還設為工科學生的基礎課。根據我們的調查統計，在境外的高等工程教育中，傳熱學與熱力學課程的開設相當普遍。[9]我們曾經調查過國外20余所大學開設熱工課程的情況。從返回的調查表看出，機械工程系、化工系、核能工程系、材料系等均普遍開設熱工類課程。有的學校把熱學類課程作為工學院的公共課程，如美國依阿華(Iowa)州立大學工學院在2000年開出的81門課程中(不含基礎課)，包括有電子、信息、計算機、控制、電磁場等系列的課程，其中熱學方面的基本課程有4門，即熱力學I、熱力學II、傳熱學及熱流系統設計。麻省理工、普渡大學及密西根大學等，熱力學和傳熱傳質學都是機械系設置的主要課程之一。表1是密西根大學工學院機械系學科基礎和專業課課程學分情況，從中可以看出熱工理論課程所占的分量。

在美國高等學校中，機械工程系主修課程的設置一般分為兩個層次，即(1)基本層次，該層次中的課程一般覆蓋了該校機械系各個研究方向的最基本的原理，是所有學生的必修課，在這一層次課程中均包含熱力學與傳熱學的基本原理課程在內。(2)專門化層次，該層次中按專門方向不同而分成若干組課程供學生選修。歐美這樣的課程設置值得我們借鑒。

3．最近十年美國熱工課程教學的發展

在最近十年中，美國高等學校工科熱工課程的教學呈現出許多新的發展趨向值得我們重視。首先在熱工課程教材方面，美國高校中出現了像Cengel與Boles的Thermodynamics――An Engineering Approach，[10]Cengel的Heat transfer――A practical approach，[11]Incropera／DeWitt的Fundamentals of heat transfer[12]這樣取材豐富、構思新穎、內容先進的教材。有關這些教材特點的

詳細分析見參考文獻[8]。

在熱工實驗方面，20世紀末美國高校也進行了面向21世紀的探索，例如美國普渡大學DeWitt等三位教授進行了題為“Curriculum for the 21th Century”的研究，[13]對于傳熱學試驗提出了以下改革內容：

(1)減少“傳統”的實驗，增加學生進行團隊項目的時間；(2)增加有挑戰性的工程設計項目；(3)給予動手訓練機會；(4)訓練與工程界合作；(5)培養交流項目結果的能力。

為此，該校改進了原有的實驗系統，配備了數據采集系統，同時從工業界不斷引入設計性的實驗課題，并分解成為團隊項目的內容。從普渡大學機械系的這一改革思路看強調了減少傳統的實驗，增加來自工業界實際項目的訓練；強調了團隊合作的訓練；強調了培養交流與動手的能力。

當然傳統的實驗還是需要的，是加深學生對教學內容的理解以及培養動手能力的環節。在傳統實驗的內容與組織上也要注意綜合性的培養。我們來看普渡大學的傳統傳熱學實驗課程的內容，參見表2。

由表2可見，就這些傳統的實驗內容而言，其綜合性與測試技術的訓練也是比較好的。

二、對今后教學改革與發展的一些思考

1．熱工課程教材怎樣適應不同類型學生的培養需要

熱工課程的基本知識應當成為工科各專業學生必須具備的技術素質，熱工課程應當成為我國工科學生、尤其是機械類專業的學生的共同的工程基礎課程。這是由于：(1)熱現象是自然界中最普遍的物理現象，同時各個工程技術領域中及日常生活中的各種其他形式能量最終大都是以熱能的形式耗散于環境及宇宙之中。因而作為介紹熱能的有效、合理的利用和轉換、傳遞技術的熱工課程，不僅應是許多大類專業的重要技術基礎課，而且也應是21世紀所有工科類專業學生的一門公共技術基礎課。(2)我國中長期能源發展規劃制定了節能優先戰略，提高能源利用率是確保我國中長期能源供需平衡的先決條件。無論是從國內資源還是世界資源的可獲量考慮，中國只有創造比目前工業化國家更高的能源效率，才能在有限的資源保證下，實現高速經濟增長和達到中等發達國家人均水平。因此，工科學生應該具備合理用能、節能的意識并懂得其基本技術。而熱工課程的內容是合理用能及節能理論中最基礎與核心的部分，熱工基礎課程在工科各專業人才培養中具有重要的作用和地位。

按照這一觀點，在我國工科21類專業中，[14]至少有6大類(能源動力類、化工制藥類、航空與航天類、環境與安全類、武器類、土建類)專業應該開出高學時的工程熱力學與傳熱學的課程，其中能源動力類是最典型的一個大類專業。我國目前設有能源動力大類專業的學校有130余所。按照教育部分類辦學的思想(研究型，教學型以及介于其間的類型)，這一百多所學校不可能是屬于同一類型的學校。那么同是高學時工程熱力學與傳熱學在教材上是否要有所區分?還是可以采用同一種教材由主講教師酌情選講?如果有區分，區分主要在哪些方面?這一問題涉及到熱工課程教學指導委員會在制定基本要求以及今后組織教材編寫方面的一個基本考慮，需要通過深入研究取得共識。

2．如何使教材內容適時地跟上學科與工程技術的發展

近代工程技術的發展給本科熱工課程教學帶來了巨大的變化。[8]例如，20年前的本科生教材很少有關于火用分析方面的內容，而現在這個狀態參數已經被廣泛接受并用來分析設備過程的能量利用情況。近代高新技術的發展給傳熱學增添了許多新的內容，近十年內發展起來的納米微米傳熱學就是一例。

相對于傳熱學，工程熱力學國內外教材的內容顯得過于穩定，近年來出版的教材中新技術的概念介紹極少。比如，當前中國的長期能源問題已經十分突出，為保護環境，執行可持續發展的方針，在工程熱力學教材上，對新的、先進的能源利用方式(聯合循環發電、氫能利用、燃料電池、分布式發電和熱電冷三聯供、新能源發電等等)是否應該有適當的反映?超臨界和超超臨界循環是傳統燃煤汽輪發電機組提高經濟性與環保性的有效途徑，也是近年來國外燃煤火電廠的重要發展方向及我國要積極研發的方向，在工程熱力學的新教材和今后的教學中也應有相應的地位。

3．熱工課程的實驗教學改革與更新應當怎樣進行

熱工課程包含的兩門學科，熱力學與傳熱學，都是應用科學，實驗教學無疑是完整的課程教學的組成部分。多年的經驗表明，實驗教學的改革與發展某種程度上比課程本身還要困難，主要是涉及到設備的購置、更新所需的經費問題。在國家實施“211工程”二期或者“985工程”的建設中怎樣利用有限的資源(財力)來改革、更新熱工教學實驗值得重視。在建設實際動手的實驗臺位時，是否也可利用多媒體的工具建設或購置一些“軟件實驗”作為補充?[15]在動手的實驗方面，前蘇聯曾經出版過有關傳熱學實驗教學的圖書，[16]20世紀80年代熱工教學指導委員會也組織出版過這樣的圖書。[17]目前有否必要再組織出版這樣的參考書?

4．在熱工課程的教材與教學過程中怎樣加強學生的能力與創新精神的培養

近期世界范圍的內的教育改革都十分注意對學生解決問題的能力與創新精神的培養，這從最近出版的美國教材中可以明顯看出。由于中外教育體制、教育傳統和教學理念方面的不同，在吸收西方教材先進經驗的同時，我們應當努力探索適應我國具體情況的措施與方法。過去的實踐表明，首先教師本身除了從事教學以外一定要參加科研，以豐富自己的學識、提高自己的業務水平。在教學過程中每位教師都應努力將教學內容與自己的學術經歷結合起來，努力使書本上的資料成為活生生的實例。在教學法方面注意啟發性，輔以對部分學有余力學生的講座等課外活動，等，這些都能收到一定成效。但是從總體上說，熱工課程教學中探索對學生的能力與創新精神的培養仍然是進一步研究的課題。

5．是否要開出經過整合的新型熱工課程

為適應不同類型專業的需要，可以開設出一些綜合性的新的熱工類課程。無論是能量轉換、熱量傳遞還是質量傳輸，都有如何提高轉換效率、傳遞效率和節約能源的問題，其中的關鍵是要減少過程的熵產(或不可逆損失)以及強化傳遞過程。這是它們共同的最重要的東西，可否開設一門綜合熱力學、傳熱學、傳質學和流體力學的新課――例如可稱為“熱設計及優化”。國外目前已經有這類圖書出版，第一步可以翻譯過來作為參考教材。如果關于“優化”的內容能結合一些專業過程中的具體問題，那么這樣的課程就會受到相關專業的歡迎。

6．熱工課程的雙語教學應當怎樣進行

雙語教學是目前教育部提倡進行的一項教學改革，

而熱工基礎課程也常常被選為進行工程技術課程的雙語教學的對象。[18]這里涉及到許多具體問題：在編寫漢語教材時怎樣照顧到雙語教學的需要?怎樣選擇英語工程熱力學與傳熱學教材?怎樣循序漸進地進行教學，以真正收到雙語教學的實效而不流于形式?

7．對我國中青年熱工課程教師學術趨向的思考

要提高我國熱工課程教學質量，關鍵在于教師。與我國人才隊伍總體情況一樣，我國熱工課程教師隊伍的主體已經由30～45歲的中青年教師所構成。這個主體的特點是學歷層次較高，大多數具有博士學位，一般具有碩士學位。為使我國熱工課程教學接近或者達到發達國家的平均水平，關鍵在于這支教師隊伍。就他們的學術發展而言，目前他們的學術趨向面臨一個主要問題是：是否需要將熱力學與傳熱學融為一體，固然可以有所側重，但是不是不要截然分開?這方面，國外的一些情況值得我們借鑒：英國的Spalding是著名的計算傳熱學與流體力學專家，但是他也寫過一本工程熱力學的教科書：[19]Cengel以他的傳熱學教科書而知名，但他同時又是工程熱力學教科書的作者，[10]而且Cengel的工程熱力學與他的傳熱學同樣著名；田長霖教授是熟知的傳熱學大家，但他與Lienhard合作寫過一本統計熱力學教科書。[20]將熵產分析用于傳熱問題的首創者Bejan也是集熱力學與傳熱學于一身的知名學者。[21-22]我國的中青年熱工課程教師值得對此進行思考。

參考文獻：

[1]Cheng K C．Historical development of the theory of heat and thermodynamics：Review and some observations．Heat Transfer Engineering，1992，13(3)：19-37．

[2]Lienhard J H． Learning and teaching heat transfer．Heat Transfer Engineering，1985，6(3)：26-34．

[3]Grober H．Die Grundgesetze der Warmeleitung und des Warmeuberganges．1921．

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主辦單位：中國化工學會

出版周期：半月

出版地址：北京市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：0438-1157

國內刊號：11-1946/TQ

郵發代號：2-370

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：1923

期刊收錄：

CA 化學文摘(美)(2009)

CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)

Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)

EI 工程索引(美)(2009)

中國科學引文數據庫(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2004)

中文核心期刊(2000)

中文核心期刊(1996)

中文核心期刊(1992)

期刊榮譽：

中科雙效期刊

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1.理論聯系實際，持續激發學生學習熱情

物理化學理論抽象、概念和公式較多，如果在授課時僅僅教會學生如何應用概念、公式去解題，學生往往就會感到既難學又沒有實際應用價值，缺乏學習熱情。因此，要提高學生學習物理化學課程的積極性，在教學中就應注重理論聯系實際，將抽象的物理化學原理與專業知識結合起來，特別是通過一些精選的案例來說明學好物理化學對搞好專業學習的重要性，以此激發學生學習興趣，提高學習熱情。如：在熱力學章節中，介紹可應用化學熱力學的知識來確定藥物合成的反應路線，判斷和分析反應的可能性；在相平衡章節中，介紹可以利用熔點來檢測藥物的純度，根據低共熔相圖固體分散物知識來改良劑型提高藥物在體內的吸收［3］；在電化學章節中，介紹可應用電化學知識進行藥物的合成和雜質分析；在化學動力學章節中，介紹化學動力學在藥物吸收、代謝等，以及藥物的貯存期和穩定性等方面的廣泛應用［4］；在表面現象章節中，介紹開發治療膽結石的新藥研究；在膠體章節中，介紹利用膠體粒子帶電的特性通過電泳方法分離體液來判斷人體的某個器官是否病變等。

2.結合專業特點，不斷優化教學內容

物理化學作為藥學等專業的重要基礎課程，教學改革后課時少、內容多的矛盾尤為突出。因此，在授課中應根據教學對象的專業特點，按照“實用為先，夠用為度”的原則對教學內容進行調整優化。一是避免教學內容重復。在教學實踐中，在不影響知識系統性的前提下，將無機化學所講授的與物理化學內容相同的部分略講或不講［5］。比如體系與環境、熱和功、反應速率與反應級數等概念，以及蓋斯定律的應用、平衡常數與濃度計算、能斯特方程等基本計算，兩門課程中的這些內容基本相同，因此物理化學的講授應注重以上知識的理論依據而不是理論的應用，這樣既避免了重復教學又使學生明確了學習重點，用較少的課時取得了較好的教學效果。二是降低理論深度。如化學熱力學部分，不講述熱力學函數之間的關系，強調熱力學的研究方法，注重宏觀的始終態的變化和理想化的研究；多組分體系的熱力學函數關系突出實際應用中一加一不等于二的現象，并作為難點進行講授；相平衡部分主要涉及單組分、雙組分、三組分的液相體系研究；化學動力學部分教學重點在于簡單級數反應的速率方程的特點及溫度對反應速率常數的影響，復雜反應和催化反應則略講，反應速率理論不做講授；電化學部分主要集中在溶液理論及應用，對化學電池則可簡單介紹熱力學函數與電池電動勢的關系。表面現象側重于溶液體系，雙電層理論不做要求；大分子溶液主要掌握一些概念和應用。三是革新實驗內容。長期以來在物理化學實驗教學中，大部分實驗為注重訓練學生實驗操作和學習有關數據處理方法等方面能力的實驗，與學生所學專業聯系不緊密。因此，要真正增強物理化學教學總體效果，就必須對實驗教學內容進行大膽的改革。一方面精簡一些內容重復的實驗。如在測定反應速率常數的實驗中，可舍去乙酸乙酯皂化反應和H2O2分解反應速率常數的測定，而只做旋光法測定蔗糖轉化反應速率常數實驗［6］。另一方面改進一些與專業聯系不緊密的實驗。如利用凝固點降低法測量萘的分子量的實驗可改為測量葡萄糖的分子量，同時還可利用該實驗的原理和方法測定中藥注射液的滲透壓等［7］。

3.緊貼教學實際，不斷改進教學方式方法

教學中，要結合不同的教學內容和學生實際，適當采用不同的教學方式或方法，增強教學效果、提高教學質量。一是深入剖析基本概念和重要定律。在課堂講授中，應對一些重要的基本概念和定律首先給出準確的概念，然后由淺入深、由表及里逐步展開，使學生理解透徹。如在講熱力學能時，首先明確給出熱力學能的定義，其次講述熱力學能的性質及決定熱力學能的因素，最后總結出正確理解熱力學能要注意的幾個方面。二是將理論深、邏輯強、抽象難懂的內容直觀化、實用化和簡單化。根據學生的思維特點、接受能力及培養目標，將一些抽象、理論性邏輯性較強的概念、定律及公式用文字、圖、表等方式形象、直觀地表現出來，降低難度和深度，并加以對比、歸納和總結，將學生注意力轉移到公式、定律的適用條件、應用范圍及相關物理意義上來，幫助他們掌握理解、融會貫通、加深記憶。三是合理使用現代化教學手段增強教學效果。傳統的板書加講授的教學模式，對于物理化學課程中理論和公式的教學效果較好，學生能跟上講課節奏，理解深入、記憶深刻。但是物理化學是一門實驗性學科，有些教學內容用傳統教學方式很難表達或無法生動直觀地顯示出來。而多媒體作為一種現代化的教學手段具有利用圖、文、聲、像來創設生動教學情境，使抽象的教學內容具體化清晰化的特點，能有效克服傳統教學方式的弊端，大大增加課堂信息量，從而提高教學效率，增強教學效果。因此授課中要結合教學內容，合理運用多媒體和傳統教學手段，充分利用其優點增強教學效果、提高教學質量。

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目前，高等教育已經從精英教育進入大眾化教育時代，科學技術的飛速發展也使知識傳授型的教學內容開始向知識拓展型的教學內容轉變，學生對知識的渴望也不僅限于書本上考試的內容，他們對相關新技術、新知識的渴望也日趨強烈。目前普通化學的教學內容主要是講授化學的基礎知識，已經不能滿足學生對知識深度的需求，也不能跟上化學學科的發展速度[1]。化學在人類生存質量和安全方面都發揮著重要作用，未來也會以新的思路、觀念和方式發揮核心科學的作用。現代新技術是化學現代研究的重要方法，在教學內容中將現代檢測新技術與化學有機結合起來，使學生不僅知其然，還能知其所以然，了解并掌握現代化學的先進理念和研究方法是非常重要的，這里我們將化學理論和應用中所用到的新技術與普通化學教學內容有機結合，構建出以基礎知識為主以相關新技術為輔的多方位拓展式教學內容，其對于提高學生的知識范圍、增強學生對新技術的運用和掌握能力、提高思維和素質的協調發展起著至關重要的作用。在緒論中增加了化學研究歷史和新技術發展歷史緊密相關的部分。化學學科的發展是新技術發展的必然結果，同時也推動了新技術的進一步發展。

一、在熱力學部分增加了以下研究技術和方法

利用熱力學第一定律來解決化學變化中的熱效應問題；利用熱力學第二定律來解決指定的化學及物理變化實現的可能性、方向及進行限度問題。熱力學函數的測定需要根據不同反應的特點進行有針對性的測定，舉例如下。

1.利用電化學性質與熱力學之間的關系式比較常見的測定。電子遷移過程和反應的熱力學參數常見方法：用精密電導率儀測定有機弱酸溶液在不同溫度條件下的電導，通過圖解法得出298K時弱酸的解離常數和焓，并計算出電離過程的吉布斯自由能和熵[2]；電化學方法獲取納米材料的熱力學函數測得了納米銅的標準摩爾生成焓、標準摩爾生成吉布斯自由能、標準摩爾熵[3]。

2.固體吸附過程可以利用固體在不同溫度下物理吸附氮氣的等溫線，然后根據熱力學原理近似計算出該物理吸附過程的微分吸附熱和積分吸附熱，然后根據相應的公式計算得到過程吸附體系的內能、焓、熵、吉布斯自由能等熱力學函數隨吸附量的變化率[4]。

二、在熱力學部分增加了以下研究技術和方法

1.動力學中活化能（Ea）是動力學中一個重要的物理量，與反應速度直接相關，對實際的生產有重要的知道意義。可以采用熱重分析（TGA）測定熱解曲線，用多元線性回歸法確定熱分解機制函數，然后確定活化能[5]。

2.對于生物的酶催化反應可以利用循環催化流動分析方法（Recirculat ing Catalysis Flow Analysis，RCFA）測定完整動力學曲線，由此求解得到催化反應表觀速率常數（k），最后利用阿侖尼烏斯公式求得該催化反應體系的活化能[6]。

3.實驗室中一般化學反應活化能和反應速率的測定采用微型化實驗進行測定。

三、在電化學部分增加了電化學的世界先進研究成果和這些成果將如何改變我們的生活

學生最為熟悉和感興趣的電化學知識是與電池相關的內容，電化學工作站是常見的新型電池的研究開發的檢測儀器。工作原理是工作電極、參比電極、電解質溶液形成串聯電路，在參比電極與工作電極間連接一個電壓表，就可以測量出工作電極上的電壓變化，計算出工作電極上所帶的電量，準確的算出物質的質量等參數[7]。

為了提高學生的學習興趣給學生介紹了最新的電池方面的研究成果。例如，美國密蘇里大學計算機工程系Jae Wan Kwon（權載完）教授的研究組研發出了體積小但電力強的“核電池”[8]。只有一個硬幣大小的電池可以讓手機不充電使用5000年。美國加州斯坦福大學華裔科學家崔屹參與的研究是將銀和碳納米材料制成的特殊墨水涂在紙張上，成功制成“紙電池”，普通紙張未來或許可以用做輕型電池[9]。

四、在核外電子排布部分增加了最先進的測試

夸克等微觀粒子發現等研究方法和先進研究成果，讓學生了解到微觀世界的奇妙。原子核類似于人類的指紋，如果測量精度足夠高，原子核可依據其質量被準確鑒別出來。這類研究歸屬于原子核物理的范疇。原子核的高精度質量測量最先用的是相對簡單的電磁系統原子核質譜儀，近20年來，隨著放射性核束裝置和實驗技術的發展，原子核質譜儀已發展到實驗環和潘寧阱等復雜的離子光學系統，質量測量的精度也越來越高。以穩定原子核28Si為例，其質量測量的相對誤差從1937年第一次測量的2.1×10-5減小至1995年的7.0×10-11，提高了近6個數量級。除了原子核中的電子、中子和質子還有很多微觀粒子，還包括夸克、k-介子等許多基本粒子的更基本的組成單元，可以稱為基本粒子動物園。夸克是由美國伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron，質子和反質子對撞機）發現的，Tevatron還測定了W玻色子的精確質量、發現了陶中微子以及著名的頂夸克。Tevatron有6.28公里長的圓形加速器軌道由1000多個超導磁鐵構成，它們將質子和反質子按相反方向在真空管中加速到光速的99.99999954%，然后在兩個5000噸的探測器中對撞，這種接近光速的高能量碰撞產生了大量全新的亞原子粒子，然后很快衰變[10]。

綜上所述，在普通化學教學中將新技術、新方法以及先進的研究成果有機的與教學內容相結合，使學生了解新技術對化學發展起到的重要作用。能夠擴展學生的知識范圍、提高學生對化學學科的興趣、使學生對化學學科的寬度和廣度認識有了提升，全面提高教學質量。

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物理化學是一門通過研究物質的物理現象和化學現象來探求化學基本規律的學科，是化工、輕化、高分子、環境工程等專業的一門重要的基礎理論課，其概念性、理論性、系統性、邏輯性很強，涉及的公式多，應用條件嚴格，比較抽象，初學者往往覺得困難較大。而且，近年來隨著高校擴招，使得物理化學這門基礎課往往采用大班教學，課堂通常要容納百人左右，增加了教師調動課堂氣氛的難度;此外擴招后的學生對知識的吸收能力和理解水平以及學習積極性有所降低。如何在科技迅速發展，交叉滲透口益突出的當今，克服這些困難，提高物理化學教學質量，是每一個物化教師應當不斷研究的課題。

2.目前物理化學教學中存在的一些問題

課堂教學中發現，由于物理化學理論性強、內容抽象、公式、定律多，很多同學對物理化學畏懼、缺乏信心，普遍感到困難。由于學習卜的困難，有的同學甚至產生了放棄的心理，以致上課根本就不聽;由于缺乏對所學專業的總體把握，部分學生沒有認識到物理化學與專業課程之間的關系，對學習物理化學的必要性理解不夠，抱著應付考試的心態學習物理化學，很多學生寄希望于考試前的突擊學習;還有的學生存在盲目自信、眼高手低的缺點，上課雖然能聽懂，但是不復習而且不獨立完成作業。眾所周知，物理化學的公式龐雜眾多，必須經過自己的反復推導練習才能熟練應用。由于其理論性強，公式多且較為繁雜，教師、學生都花了不少精力，但往往都沒有達到預期的效果，教學效率不高，所以如何提高物理化學的教學效率具有現實的意義。

2.1把物理化學的特點轉變為課堂教學的優勢

物理化學的特點是條理清晰、推理嚴密，要把物理化學的特點轉變為課堂教學的優勢。要學好物理化學必須把握物理化學思維的特點，在課堂上經常把物理化學的教材的主線拎出來，并且反復強調，使學生不再感覺到內容散亂，找不到規律。物理化學的難點在土冊熱力學基本定律部分，涉及的計算、證明推理不僅內容繁多，而且難度高，很容易打擊初學者的學習成就感和積極性，這時候就特別需要教師在課堂上回顧復習知識點的來龍去脈，強化學生對所學內容的感知。在每一章內，要強調本章的基本思路，而開始新的一章時章時，要強調這一冊書內容的安排規律，此外還要注重每一章節的復習以及學期末復習。比如第一冊內容的安排，在學習熱力學第一定律之前就應當講清楚:首先學習熱力學基本定律，然后將這些基本規律用于稍復雜的多組分體系、化學反應以及相平衡體系。這種反復強調可以讓學生站在更高的角度來看這門課程，把握課程總體，理清課程思路，有利于學生更好地掌握細節，細節之間增加了有機的聯系，自然容易學好記牢。而且，在教學中不能僅僅局限于物理化學問題本身，還要經常讓學生從物理化學具體的知識點中走出來，審視物理化學解決問題的方法。例如，熱力學定律學完之后首先處理的是單組分體系，然后再處理多組分體系，在第二冊又在此基礎上處理有電能以及表面能參與的體系，這樣一種循序的、由簡單到復雜的處理問題的方法在解決其他問題時也是很重要的。因此，學習物理化學也應當是一個方法論的學習過程。

2.2注意課堂教學的趣味性

知識的趣味性是重要的學習推動力，把理論性強、抽象而枯燥的內容變得生動有趣，是提高課堂教學的有效手段。如果一直按課本的內容平鋪直敘，只能使學生感到乏味和厭倦。課堂提問是重要的方法，與實際生活相聯系的問題，多提問，可以調動學生的思維的積極性。例如，在學習“表面現象”這一節時，可以創設生活中常見有容易被忽略的實例。(1 )荷葉上的露珠為什么呈球形而不是長方體或是正方體呢?學生在思考這個問題時，我們可以趁機引入表面和表面張力的概念。(2)將干毛巾的一端浸在水盆中時，過一會兒毛巾的另一端也會潮濕，這是為什么?新買的毛巾很容易浸濕，但是經長時間使用的毛巾就變得不容易浸濕，這又是為什么?通過這些問題又可以讓學生帶著興趣進人毛細現象的學習。當學生學完知識理論并且會運用所學的來分析現象找答案時，教師將成就感。

2.3注意理論知識和實際的結合

(1 )比如水蒸氣蒸餾。在學組氣液相圖后，知道了兩種完全不互溶液體形成的液態混合物的沸點低于任一組分的沸點，這一點對于分離提純一些不溶于水的有機物非常有用，采用水蒸氣蒸餾的方法，不僅可以降低提純溫度節約能量，而且在低溫下還有利于保護易分解的有機物。此外，這樣還把物理化學的知識和前面有機化學里的內容聯系了起來，使學生的腦海里的知識點不再孤立。(2)通過熱力學第二定律中的熱機內容的學習，學生了解了熱機的工作原理，并且學會了計算熱機效率，這時可以將這些與實際生活中的空調聯系起來，將空調供暖與取暖器相比較，這時學生們會發現通過熱機供暖的優越性，加深對熱機的理解，將有利于熱力學第二定律其他章節的學習。(3)在學習完電化學中電池對外做功計算后，可以將同樣的物質經過化學反應后放熱并將放出的熱設計成熱機對外做功，并將之與用同樣的物質設計成電池對外做功相比較，又會發現通過電池對外作功的優越性，這不僅加深了對電化學的理解，而且加深了對熱力學第二定律的理解。通過理論與實踐的結合，讓學生感受到物理化學其實并不難，而且挺有用，消除學生的物理化學無用論思想。

2.4適當采用多媒體教學

多媒體教學具有直觀性、生動性和簡潔性，適當采用多媒體教學，也可以一定程度上調動學生在課堂土的積極性。信息技術的發展和普及為教學提供了很大的便利，目前很多學校相當一部分教室都配備了電腦、實物投影儀。通過制作教學幻燈片可以省卻教師在課堂上的板書時間，而且講解圖表時也更加方便，富余的時間還可以補充一些本學科的前沿知識。但是，也應當對多媒體教學的負面一影響有充分的認識。在課堂教學中發’現，在使用多媒體教學后，學生記筆記的積極性明顯下降，其實記課堂筆記也是一個主動學習的過程，而在使用多媒體教學時，學生完全處于被動接受知識.的狀態，課堂教學的內容在學生的腦海里成了匆匆過客。因此，多媒體教學的應用要適可而止，以免適得其反。

2.5注重考核方法的與時俱進

考核是教學的重要環節，如何設計適合的考核方法，提高學生的學習動力和積極性，對學生的學習效果和綜合素一質的提高給出合理的評價，也是廣大物一化教師應當思考的問題。我們主要采取了開卷與閉卷、平時成績和考試成績相。結合的方式。

開卷與閉卷相結合。每一門課程開一始時，很多學生最關注的不是這門課要學什么，而是這門課怎么考試、考什么。讓考試成為學生學習的指揮棒，弊端是顯而易見的，學習的過程和結果是可悲的。考試應當是一種促進學生學習的手段，而不應當成為學生臨時抱佛腳的幫兇。傳統的終結式考試模式，即在一學期末進行一次考核，雖然易于組織便于操作，但顯然不利于教學目標的實現。我們參照了其他一些院校的做法，確定了開卷和閉卷相結合的考核模式。開卷的形式是開展十分鐘不定期課堂練習.內容以講解過的知識點為主，可以翻看書和筆記，但不準相互交流討論，一這樣可以督促學生平時的學習消化。而且從學生平時掌握知識的情況，教師還可以對教學作及時的反饋。期末采取閉卷考試，測試學生是否牢固掌握物理化學基本概念和原理方面的知識。在考試.的命題方面，要設計既能反映學生知識水平又能檢測學生能力素質的考題。由于有平時學習，在期末考試時學生就不至于慌亂無措。

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【中圖分類號】G642

物理化學作為環境、化學、生物、化工、材料等專業本科生基礎課，由于概念多、公式多，學生在學習過程中普遍感到抽象、難學和難理解，厭學傾向比較明顯。然而，物理化學中的理論、方法和觀念在培養學生創新能力方面又具備其他課程無法替代的作用。高等物理化學作為物理化學的延伸，是研究生階段的核心基礎課之一。因此，根據具體研究方向，改革教學方法，避免滿堂灌輸式的傳統教學模式，重新點燃學生的學習興趣，對培養研究生科研創新能力至關重要，是未來高等物理化學課程改革的必然出路。

一、我校環境專業研究方向與物理化學的聯系

我校環境科學與工程專業具有一級學科碩士學位授予權，經過多年發展，已形成5個特色的學科方向：（1）廢水處理與優化控制技術；（2）廢物處置與資源化技術；（3）大氣污染控制理論與技術；（4）環境功能材料與友好過程技術；（5）環境生物與生態修復技術。這些特色研究方向與物理化學有著非常緊密的聯系，物理化學的理論和方法一直被運用到環境保護中。例如：（1）水處理過程、污泥消化處理、熱污染控制等許多方面都涉及熱化學模擬計算；（2）作為常用的高級氧化技術之一-電化學方法涉及電化學基本原理、內電解、電凝聚、電解氧化/還原及電滲析等物理化學知識；（3）環境功能催化材料涉及熱力學和動力學等多方面的知識；（4）吸附劑、表面活性劑等污染修復方法與物理化學中膠體與界面部分密不可分。因此，針對研究生高等物理化學課程改革，必須考慮如何體現課程特色、以何種模式實現研究生科研活動中基礎知識再認識以及創新性思維能力的提高等關鍵問題。

二、環境專業高等物理化學教學設計改革

1.教學內容改革

高等物理化學包括化學熱力學、化學動力學、統計熱力學、結構化學四大塊內容。作為環境專業研究生的基礎課程，各部分教學內容應注重突出特色，有所取舍，不能簡單重復本科階段的物理化學教學。針對本校環境專業研究方向和有限的課堂學時，筆者認為，選取化學變化的方向和限度問題、化學反應的速率和機理問題、催化劑結構與性能關系、電化學基本原理和應用作為核心教學內容，有利于吸引學生結合自己的研究課題進行深入的自主學習。

在理論教學的基礎上，適當增加1-2個具體實驗，通過實踐教學深入、形象地理解環境凈化技術應用時的物理化學基礎知識。

2.教學方法改革

大量的實踐表明： 傳統的以教師講授為主的教學模式已經不能適應時代的發展，尤其是抽象性、概括性、邏輯性很強的高等物理化學教學。要培養研究生的科研創新能力，必須激發學生的自主學習熱情。因此，改革教學方式，以學生為主體，教師講授為輔，進行前沿引導式教學為現代高等物理化學教學改革點亮希望。

具體課程安排過程中，可按教師講授（提出問題）學生互動（解決問題）教師總結點評（基本原理強化）順序展開教學。改變傳統的系統講授為重點講授，教師根據學科特色，有側重地突出物理化學專業知識點的應用和前沿，設置課程研討課題；學生根據興趣自主選者課題，課后進行文獻調研和歸納，并在課堂上展示學習心得；最后，教師根據學生自主學習情況進行點評，并提出改進的建議。此外，在課堂教學上，應經常以啟發式的語言、事例來激勵學生，引導他們積極主動進行學習。

三、物理化學教學改革初探

根據教學設計，筆者初步嘗試了教師主講3個專題，提供學生6個課題，輔助1個實驗的教學模式。教師主講內容包括：（1）物理化學在光催化環境凈化技術中的應用；（2）物理化學在環境電化學技術中的應用；（3）物理化學中的膠體界面化學。提供學生選擇自主學習的課題如下：（1）物理化學與環境保護；（2）光催化體系的反應機制及應用時的瓶頸突破；（3）電化學處理有毒難降解有機污染物的電子轉移機理；（4）污水處理中的熱力學過程；（5）吸附法處理環境污染物的動力學過程；（6）膠體表面/界面調控與環境污染治理。要求學生學會利用學校圖書館的Web of Science和google學術搜索工具，查閱自選課題相關的文獻，主要是主流TOP期刊的論文，在大量閱讀文獻的基礎上，寫出能體現課題核心內容和研究亮點的綜述。經過這兩階段的學習，學生已基本具備文獻查新、科學問題提煉的能力。最后筆者選取環境污染治理的新技術-太陽能光催化處理印染廢水為輔助實踐教學，通過改變反應條件，觀察廢水色度變化，既能給學生直觀感受，又能通過后續的數據處理，讓學生體會到物理化學基本理論的美妙。

本實驗中主要涉及物理化學中的阿倫尼烏斯公式：

（1）

其中k為反應的速率常數，可以通過不同時間染料降解動力學進行擬合得到；A為反應的頻率因子，對于確定的化學反應為一常數；Ea為反應活化能；R為理想氣體常量；T為熱力學溫度。通過對公式（1）進行對數轉換，可以得到公式（2）：

（2）

通過測定不同溫度下染料降解的速率常數k ，可以利用公式（2）計算得到反應的活化能Ea；進一步通過有無催化劑的對比實驗，可以計算出染料降解反應中添加催化劑對Ea的影響，預測反應過渡態的相關信息，直觀而深刻地體會到物理化學基礎知識點在實際環保技術中的應用，使理論與實踐完美結合，激發學生在各自研究領域重新學習物理化學的興趣。

四、結束語

總之，物理化學是一門基礎理論性和實踐性都很強的學科，加強物理化學知識的學習，特別是通過課程解析物理化學基本規律在現代環境保護研究前沿熱點的作用，將會有助于我校環境專業研究生從分子本質上加深對本專業和研究方向的認識，促進研究生更快地實現從知識學習到科學研究的角色轉變。

參考文獻：

[1] 薛云波.環境專業物理化學教學方法的探討[J].南京工程學院學報（社會科學版）， 2006， 6（3）： 62-64.

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一、氯甲烷水解

在常壓、溫度為573～620K 的操作條件下，氯甲烷在堿性溶液中可以水解制取甲醇。

氯甲烷的轉化率為98%，甲醇得率為67%。該工藝雖然簡單，同時又是令人所期望的常壓操作，甲醇產率和氯甲醇的轉化率也比較理想，但是迄今為止此法尚未得到工業應用。其原因是氯甲烷是以氯化鈣的形式損失，成本太高。盡管如此，這還是實驗室制備甲醇的一種常用方法。

二、甲烷氧化工藝

甲烷可以直接氧化合成甲醇， 在熱力學上是可行的， 分為催化選擇性氧化和非催化氧化兩種方法。

1.催化氧化法

目前催化氧化的工藝技術是基于天然氣蒸汽轉化即部分氧化成甲醇后再部分氧化成合成氣。但是，由于活化甲烷分子比較困難，所以氧化甲烷的條件很苛刻。鑒于甲烷氧化為甲醇后又極容易再度氧化成二氧化碳和氫氣，所以從熱力學上考慮，目的產物甲醇是不穩定的。因此，選擇甲烷氧化制甲醇的催化劑必須具備高的選擇性，同時又具有較好的穩定性[1]。一般的催化劑隨溫度的升高，甲烷的轉化率升高，而甲醇的選擇性則降低。典型的較理想的催化劑的轉化率只有5%，甲醇的選擇性只有50%，其他產物主要是甲醛、甲酸，約占40%。

2.間接氧化法

甲烷無催化劑直接選擇氧化制甲醇的研究始于1980年，Francis[4]Michael[5]等人作了大量的工作，他們在1992年分別各自研究了沒有催化劑存在條件下，如何控制甲烷部分氧化成甲醇。他們認為，該法能夠大量降低投資和能耗，但控制條件較為苛刻。原料中不宜存在某些烴類，否則將降低轉化率，氧含量宜在8%左右，過小則轉化率降低，過大則氧化過度，操作條件在644～755K，9Mpa，宜采用小直徑反應器。所得甲醇收率（摩爾分數）為217%， Hunter 等人在溫度為723K、6MPa的壓力操作條件下，所得收率（摩爾分數），可達8～9%。據報道經濟可行的轉化率（摩爾分數）為10～15%。

三、生物催化氧化法

除了甲烷選擇控制催化制取甲醇外，國內中科院蘭化所尉遲力[8]等對甲烷生物催化氧化制甲醇進行了研究，據報道加氧酶的活性可為1kg酶1h生產2.02kg甲醇。他認為，由于大部分甲醇被甲醇脫氫酶繼續氧化、代謝掉，尋找更好的抑制甲醇繼續氧化的抑制劑，提高酶穩定性減少，酶活性的損失是甲烷生物催化氧化制甲醇的關鍵。

四、煤、氣、油綜合利用工藝

采用煤氣化、天然氣轉化、渣油裂解（DCC）裝置的副產氣（CH4和H2 ）作為生產甲醇的原料，經成分配比后生產甲醇，實現了原料的優勢互補，多種能源的綜合利用，達到了循環經濟的目的。

五、CO2 加氫工藝

近年來，CO2 加氫制取甲醇引起了各國科學家的興趣，成為甲醇合成的一個新的研究方向。環境問題日益引起人們的警惕，據悉全世界大約每年向大氣排放35億t的CO2 （以每年消耗10億t標準煤計算），CO2 引起的溫室效應，已經影響到全世界的氣候變化。歐共體、 日本等1990年在135個國家和地區參加的會議上承諾控制和減CO2 的排放量，美國答應每年提供7500萬美元用于CO2 綜合開發和利用[9]。用CO2 制取甲醇便成為甲醇合成的新課題，尤其是近年來連續發現CO2 大氣田以及CO2 礦源，把這一課題又賦予新的意義。

由于二氧化碳的惰性以及熱力學上的不利因素，使用二氧化碳難以活化還原，一般催化劑都存在甲醇選擇性不高、 CO2 轉化率低的不足。開發新型催化劑， 提高催化劑的活性和甲醇選擇性是目前O2 加氫制甲醇的研究重點。

不少學者對這一課題進行了大量的實驗研究，取得了可喜的成就，到目前為止已經有了中試裝置。例如， 80年代初，HolderTopsUe公司利用煉油廠的廢氣中的H2 和CO2 直接合成甲醇，開發了一種CO2 加氫催化劑，仍以Cu-Zn為主，已完成中試。實驗結果表明，在280e、120MPa的操作條件下，將H2 、CO2 通過催化劑絕熱反應即可得到燃料用的或有機合成用的甲醇，還有醚、酯等少量副產物。東京瓦斯公司古田博貴等人用 CO2 和H2 在Cu-Zn-Al催化劑上合成甲醇，壓力3～9Mpa，溫度250～300e，空速5200～14000h-1，原料氣中H2與CO2 的摩爾比為3～416，CO2 轉化率為20%。

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火法煉鋅包括焙燒、還原蒸餾和精煉三個主要過程,約占世界鋅總產量的10%。

濕法煉鋅包括傳統的濕法煉鋅和全濕法煉鋅兩類。

傳統的濕法煉鋅實際上是火法與濕法的聯合流程,包括焙燒、浸出、凈化、電積和熔鑄五個主要過程。全濕法煉鋅是在硫化鋅精礦直接加壓浸出的技術基礎上形成的。濕法煉鋅約占世界鋅總產量的90%。

鐵閃鋅礦[(1-n)Zn.nFe]S通過機械磨礦和選礦的方法很難使鐵分離,導致產出的鋅精礦中含鋅量低(≤45%)、含鐵量高(≥10%),有些含鐵量甚至高達了18%左右,這就是所謂的高鐵閃鋅礦精礦。

我國是世界上最大的鋅生產國,高鐵閃鋅礦資源分布非常廣泛,礦藏量巨大,約占我國已探明可利用鋅資源的20%。

現行的濕法煉鋅都未能很好地解決高鐵閃鋅礦精礦在冶煉過程中存在的問題。

1高鐵閃鋅礦精礦冶煉面臨的窘境

1.1傳統濕法

在鋅精礦的沸騰焙燒過程中,不可避免地生成鐵酸鋅(ZnOFeO),它是一種難溶于稀硫酸的鐵氧體。

ZnO+FeO==ZnOFeO(1-1)

在一般酸浸條件下,ZnOFeO不溶解而留在中性浸出殘渣中,使渣含鋅在20%左右。生產中采用熱酸浸出(溫度90-95℃,始酸大于150g/L,終酸40-60g/L),使渣中的鋅溶解:

ZnOFeO+4HSO=ZnSO+Fe(SO)+4HO(1-2)

同時渣中殘留的硫化鋅使三價鐵還原到2價而溶解:

ZnS+Fe(SO)=ZnSO+2FeSO+S(1-3)

熱酸浸出后金屬浸出率顯著提高,鉛、銀富集于渣中,但大量鐵也轉入溶液,溶液含鐵量達到20mg/L~40mg/L。若采用常規的中和水解除鐵,因為形成體積龐大的Fe(OH)膠體無法濃縮和過濾。為從高鐵溶液中沉淀除鐵,需要采用高成本的黃鉀鐵礬[KFe(SO)(OH)]

②聯系人王書民,電話:(0914)2986027;手機:13991420293;E-mail:

收稿日期:2010年月日;接受日期:

法、針鐵礦(FeOOH)法和赤鐵礦(FeO)法等新的除鐵方法。

1.2完全濕法

在加壓浸出條件下,鋅精礦中的硫化鋅與硫酸發生下述反應:

2ZnS+2HSO+O=2ZnSO+2HO+2S(1-4)

當有鐵溶解時將發生下列反應:

ZnS+Fe(SO)=ZnSO+2FeSO+S(1-5)

4FeSO+2HSO+O=2Fe(SO)+2HO(1-6)

在加壓浸出鋅精礦石、鐵閃鋅礦、磁黃鐵礦中的鐵都有可能溶出:

4FeS+15O+2HO=2Fe(SO)+2HSO(1-7)

4FeS+15O+8HO=2FeO+8HSO(1-8)

在高溫、低酸溶液中的鐵可以發生如下反應:

3Fe(SO)+PbSO+12HO=PbFe(SO)(OH)+6HSO(1-9)

Fe(SO)+(x+3)HO=FeOxHO+3HSO(1-10)

3Fe(SO)+14HO=(HO)Fe(SO)(OH)+5HSO(1-11)

但是,高酸浸取盡管能減少鋅因為鐵酸鋅的生成造成鋅的流失,但高酸浸取之后,浸取液中含有的大量的鐵離子,為以后的凈化工藝帶來困難;高氧酸浸已經成為濕法煉鋅的主流,很多研究工作卓有成效。但是,高氧酸浸并不能阻止鐵等雜質隨著鋅一起進入到浸取液之中,高的鐵含量必將對以后的除鐵工藝帶來巨大了困難。

目前,對于高鐵礦還沒有一種好的辦法既能除去鐵而又不至于造成大的經濟損失,即使是含鐵較低的鋅礦,浸取液的凈化仍然是人們長期研究所要解決的問題。

2氨浸方法的提出與理論研究

2.1高鐵閃鋅礦的氨浸工藝的提出

文獻表明,火法煉鋅終將逐漸退出歷史舞臺,生物浸取離進入工業化應用還有非常遠的路要走,而現行的濕法煉鋅并不能同時實現鋅的高浸出率和鐵的低浸出率。為解決這一矛盾,本課題組一直致力于鐵、銅、鋅、鈷、鎳、鎘等金屬的分離研究,根據已有文獻和我們的研究成果,提出了高鐵閃鋅礦精礦的催化高氧氨浸工藝。其基本原理設想為:

高壓反應釜中,加入礦粉、催化劑、氨水、碳銨等,充入高壓氧氣,利用凝固末端電磁攪拌器進行攪拌,計時。浸取液利用原子吸收分光光度計分析。反應如下:

2MS+O+8NH+2HO=2[M(NH)]+2S+4OH(2-1)

其中,M=Zn、Cu(Co、Ni、Cd生成六配位離子,Co要氧化為Co)

4FeS+3O+4CO+6HO=4Fe(OH)CO+8S+8OH(2-2)

2.2熱力學計算

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二、材料物理化學在材料物理專業中的作用和地位

材料物理化學是貴州大學材料物理專業本科生的學位必修課程，這門課程是從物理化學的角度研究材料科學與工程的基礎理論問題，從基礎的具有共性的原理及方法來論述各種材料的組成與結構、制備與合成、性能與應用的相互關系。該門課程的教學目的在于提高學生的專業知識水平，培養學生科學的思維方式和獨立的創新能力，以及綜合運用基礎理論來解決實際問題的能力。材料物理化學是材料物理專業非常重要的專業基礎課，它以高等數學、大學化學、大學物理等理論基礎課程為基礎。高等數學是學習物理化學的重要手段和工具，物理化學只有通過數學語言的表達才能成其為真正的科學。認識到大學物理和物理化學中熱力學內容的銜接，了解大學物理中原子結構知識的介紹，協調好與大學化學中原子結構部分內容的關系，突出重點，避免重復，講清難點，是材料物理化學教學中值得注意和認真對待的問題[4]。材料物理化學同時也是材料物理專業的后續專業課程（材料腐蝕與防護等）的基礎課程。材料腐蝕與防護課程中的金屬與合金的高溫氧化的熱力學部分，就要運用材料物理化學中諸多熱力學基本知識，如G-T平衡圖和克拉佩龍方程等。材料物理化學如同一座橋梁，將材料物理專業的前期基礎課與后續專業課聯接起來，以完善專業知識的系統與連貫性。同時，材料物理化學作為一門重要的專業基礎課，是許多高等院校研究生入學考試的必考科目。材料物理化學與材料科學與工程各專業相關的生產生活聯系緊密。新材料的設計、合成以及產物性能的提高與可控自由基聚合反應中所用的新型催化劑和引發劑息息相關。在材料表面改性過程中，界面效應是起理論指導作用的。電化學在材料領域應用廣泛，例如：熔鹽電解法制取金屬鋁、多種稀土金屬及其合金，金屬在使用過程中的腐蝕及防護等，新型的化學傳感器、燃料電池、鋰離子電池的研究和生成都要用到電化學理論。而對于發展迅速的前沿材料納米材料，如何制備具有規定尺寸和組成的納米顆粒、測量其性質、了解它們的特殊性質與顆粒尺寸的關系等很大程度上依賴于科學測量手段和化學化工技術，這也離不開材料物理化學基本原理的指導。

三、材料物理化學的教學難點

根據在以往的教學過程中的觀察與經驗，材料物理化學是一門老師難教、學生難學的課程。這首先是因為材料物理化學課程與數學物理聯系密切、抽象概念多、數理推導多、公式繁雜等特點。許多學生見到大段連篇的公式推導就會產生畏難心理，喪失學好該課程的信心，然后就逐漸厭學甚至放棄學習。再加上該門課程對于材料物理專業的學生來說，課時相對較少，要在有限的學時中掌握較多的內容，使得以往的教學出現點到為止，認識學習不夠深入的現象[5]。該門課程的授課對象是大學二年級上學期的學生，處于這個時期的學生學習興趣和學習熱情處于整個大學的全盛時期，求知欲強，精力充沛。面對這樣的學生，如何有效地利用他們的求知欲，激發起學習該課程的興趣，并針對他們的缺點，制定行之有效的方法及對策，使其通過該門課程的學習，培養起運用物理化學的方法進行科學研究和解決實際問題的能力，是值得我們教學工作者值得思考并認真對待的問題。

四、材料物理化學的教學改革

針對上述問題，為提高材料物理化學的教學質量，激發學生的學習興趣，培養學生能力，我們對材料物理化學課程教學進行了多方面的改革。

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近些年來，石油、天然氣、動力、化工、水利、航天、環境保護等工業的迅速發展促進了氣液兩相流的研究和應用。在實際應用中可以將凝析天然氣簡化的看作氣相為甲烷，液相為水的氣液兩相流[3]。為了在實現天然氣井口對凝析天然氣氣、液兩相流量的實時在線測量，需要對其進行相應研究。再如，火力發電廠中鍋爐的汽水分離、蒸發管中的汽水混合物的流動都屬于氣液兩相流問題[1]。

2.氣液兩相流的流動型式

氣液兩相流中氣液兩相的分界面多變，其流動結構受各相的物理特性、各相流量、壓力、受熱、管道布置等影響。在不同的流型下，兩相流的流體力學特性不同，因此為了研究兩相流的運動規律，必須研究其運動型式。

在水平管道中，氣液兩相流常見流動形態如圖1所示。

圖1 水平管道中氣液兩相流流型

水平管中，氣泡流的特征為液相中帶有散布的細小氣泡，由于受到重力的影響，氣泡多位于管子上部。隨著泡狀流中的氣相流量的增加，氣泡聚結成為氣塞，氣塞一般較長，且多沿管子上部流動。當氣、液兩相流速均較小，會受到重力分離效應產生分層流，而當分層流動中氣相速度較大時，氣液的交界面將產生擾動波形成波狀流。若氣相速度再增大，則氣液分界面由于劇烈波動將有一部分與管道頂部接觸，分隔氣相成為氣彈，從而形成彈狀流，大氣彈則將在管道上部高速運動。

在豎直管道中，氣液兩相流多分為泡狀流、彈狀流、乳沫狀流、絲狀環狀流和環狀流等，如圖2所示。

圖2 豎直管道中氣液兩相流流型

3.氣液兩相流參數檢測的基本手段

（1）采用傳統單相儀表進行氣液兩相流測量多為獲得工業應用中氣液兩相的在線實時流量信息，與實際應用緊密相關。傳統單相儀表測量有兩種方法，一種是基于單相流的研究方法，即從物理概念出發或從微分方程中得到描述濕氣流動的一些無因次參數，然后根據實驗數據得到經驗關系式，再與傳統的單相流儀表相結合應用到多相流參數檢測中。另一種是利用多個傳統單相流儀表組合，進行多參數組合測量以確定兩相流量，如文丘里管與內錐流量計組合[6]、文丘里管與渦輪流量計組合、密度計與渦輪流量計組合等[2]。

（2）近代新技術手段包括過程層析成像技術、高速攝影技術、數字圖像處理技術、示蹤技術、激光多普勒技術等，采用這些技術可以獲得兩相流流場中流型、流速、容積含氣率等特征參數。例如過程層析成像技術能夠在線直觀的得到流體截面上的可視化信息，激光多普勒技術能夠得到離散相粒子的速度、尺寸、流量等信息。

（3）數值計算方法。數值模擬是利用計算機進行質量、動量、能量守恒方程的求解，以得到流場區域內兩相流動信息。數值模擬比實流試驗更省人力物力財力、不用考慮重復性問題，且能夠在更理想化的實驗工況下進行試驗。近些年來數值計算方法作為一種輔助手段已逐漸成為和實流試驗同樣重要的方法[7]。然而，氣液兩相流進行數值仿真時需要先確定兩相間的相互作用、兩相分界面、兩相在流場中的分布以及合適的數值計算方法，并且描述兩相流的變量多、基本方程多，守恒方程、分界面表面張力計算困難，因此數值模擬仍然存在一些困難。

4.氣液兩相流計算的基本方法

現有的氣液兩相流計算方法可以分為經驗方法、工程實用模型分析法和數學解析模型分析法。

（1）經驗方法是工程中常用方法，其根據工業現場試驗或實驗室實驗所得數據擬合建立合適的計算公式，然后在實際應用中將已知變量帶入公式中得到預測結果。

（2）工程實用模型分析法先提出流動體系的簡化假設然后得到簡化模型。常用的簡化模型將管內三維流動簡化為一維流動，即流體僅沿流向進行變化，在此假設基礎上主要有均相流模型、分相流模型以及滑移流動模型。

均相流模型是最簡單的簡化模型，其將氣、液兩相看做均勻混合物，流動參數取兩相相應參數的平均值，將兩相流視為遵守單相流體基本方程的均勻介質。在此模型中，假定氣液兩相流速相等，并且兩相溫度相同并都處于飽和狀態。由于假定此模型氣液兩相速度相等，而在實際中只有在高氣量低液量時或者高液量低氣量時兩相速度才相近，因此均相流模型僅適用于泡狀流或者霧狀流。

分相流模型在假定兩相之間熱力學平衡和兩相速度各為常量的基礎上，將氣、液兩相作單相處理并加入相間作用，然后將各相的方程合并所得。此模型適用于分層流和環狀流。

滑移流動模型假定兩相熱力學平衡，建立在兩相平均速度場的基礎上。著重考慮了相間的相對運動，適用于彈狀流等流型[5]。

（3）分析方法對兩相和界面條件建立局部瞬時方程，用平均方法得到瞬時空間平均方程、局部時間平均方程和時間空間平均方程，再把平均方程簡化到要求的程度[1]。分析方法較嚴密但是求解麻煩，需借助計算機技術，且還需知道一些相關關系才能使平均方程封閉。

5.總結

本文從氣液兩相流的應用背景、流動型式入手，概要性的介紹了氣液兩相流參數檢測的基本手段和兩相流計算的方法。氣液兩相流中，由于兩相界面的運動、變形、破碎、再融合以及兩相界面上的熱、質傳輸使流動結構異常復雜，因此也造成了氣液兩相流檢測困難，要實現氣液兩相流的準確計量仍然有很大的研究空間。

參考文獻：

[1] 車德福，多相流及其應用，西安：西安交通大學出版社，2007.

[2]周云龍，氣液兩相流型智能識別理論及方法，北京：科學出版社，2007.

[3]徐英，段玉晗，趙軼，文丘里高壓濕氣測量虛高特性數值模擬，天津大學學報，2012， 45（3），221～227.

[4] 閻昌琪，氣液兩相流（第二版），哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.