化工热力学高阶思维的培养：从理想态到真实态.pdf

测试项目正常值警告值行动值实测值状态运动粘度/（100，cSt）26.044.017.526.0 或44.052.517.552.533.5正常中和值/（mgKOH/g）0.00.30.30.700.70.1正常丙酮不溶物/（mg/100 mL）0125125400400355警告低沸物/%-4.05.050.8正常高沸物/%-8.510.0101.5正常残碳/%1.01.01.51.51.1警告参考文献:1孙桓.燃油导热油炉异常停炉原因分析及解决措施探讨J.工业加热,2022,51(7):56-58，62.2李之尚.有机热载体燃气加热炉系统故障分析以及优化措施J.清洗世界,2022,38(6):18-20.3毕海涛.导热油加热系统在大型生产装置中的应用J.化工设备与管道,2014,51(4):43-45.表 2改善后热油炉回油质检表第37卷第5期2023年9月天津化工Tianjin Chemical IndustryVol.37No.5Sep.2023化工热力学高阶思维的培养：从理想态到真实态许史杰袁贾原媛袁王彦飞（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）摘要院 经典化工热力学认识真实世界的思维方式是从引入理想态入手，再采用归纳-演绎法修正理想态，以应用于真实态来解决实际应用问题的“原理-模型-应用”三要素思维方式。在传授专业知识的同时，通过归纳总结贯穿整个化工热力学课程体系的三要素这种认识世界的方法，可以让学生深入理解实践论，掌握科学的方法论，启迪学生在学习其他课程时应用这种逻辑思维方式，启蒙学生的科学探索精神，培养学生缜密的逻辑思维，从而提高其解决复杂问题的综合能力。关键词院化工热力学；教学；体会；理想态；真实态doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2023.05.040中图分类号院 G642.0文献标志码院 A文章编号院1008-1267(2023)05-0134-03窑化工教育 窑收稿日期：2023-01-05基金项目院第二批新工科研究与实践项目“以制盐与盐化工为特色的化学工程与工艺专业改造升级探索与实践”（E-HGZY20202006）；科研团队中专业学位研究生工程实践能力的培养（2021YJGB09）作者简介院许史杰（1989-），男，讲师，博士，研究方向为工业结晶与海卤水资源综合利用。通讯作者院王彦飞（1977-），男，教授，博士，研究方向为工业结晶与海卤水资源综合利用。化工热力学是化学工程与工艺专业学科群中的专业必修核心基础课程之一1渊见图 1冤遥 化工热力学起源于热力学袁是以化学热力学与工程热力学为基础袁结合化工实际过程逐步形成的学科袁其核心任务是从化工的角度阐述物质与能量的利用极限遥 化工热力学可为化工原理尧反应工程尧分离工程等课程的教学提供基本原理的认知及物料和热量衡算数据袁为化工过程工艺技术的开发尧设计和生产提供重要的理论依据2-4遥第 37 卷第 5 期图 1化工热力学在化学工程与工艺专业课程群中的作用化工热力学的课程具有化工热力学理论性强尧概念及公式繁多等特点5-7袁导致很多学生在学习过程中难以理解和掌握化工热力学的核心袁难以形成正反馈袁无法引起学习的兴趣8-9遥化工热力学是一门训练逻辑思维和演绎能力的课程10袁 因此袁在化工热力学教学过程中袁突出逻辑主线袁厘清思路袁便能事半功倍遥 如把其中的逻辑思维通过举一反三推广到学生学习其他课程及日常学习生活中袁必将引起学生的广泛兴趣袁对提高学生认知尧锻炼其缜密的逻辑思维起到无可替代的作用遥经典热力学的研究方法逻辑性很强袁即利用抽象的尧概括的尧理想的方法来处理问题袁当研究对象从理想态变成真实态时袁再加以修正遥 本文通过回顾化工热力学教学过程中涉及的几个理想态到真实态的理论概念袁来进一步阐述这种从理想态到真实态的高阶思维遥1从理想气体到真实气体化工热力学在对流体 pVT 关系的定量描述初期袁提出一个理想态袁即为理想气体袁这种理想不存在的状态为我们研究 pVT 的定量关系提供了一个起点遥 理想气体的关键在于假设分子的大小如同几何位点渊分子本身可视为不占有体积冤袁分子间不存在相互作用力袁在压力趋向于 0 时的真实气体可视为非常接近理想气体遥 此时袁理想气体的状态方程可简单描述为 V=RT/p渊V 为摩尔体积冤遥 当我们提出理想气体的假设时袁其关键假设便是后者作出修正的基础遥 随后通过统计力学的方法来分析分子间相互作用力而得到维里方程及通过修正分子引力得到 van der Waals尧R-K尧RKS 和 PR 等方程渊见图 2冤遥2剩余性质在计算真实流体的焓变与熵变时袁化工热力学通过定义同一温度和压力下袁真实流体与理想气体的广延热力学性质的差额袁 即剩余性质袁并结合热力学基本方程尧Maxwell 关系式和 pVT 关系式来计算真实流体的剩余焓与剩余熵遥 值得注意的是袁 流体在真实状态下并不可能处于理想态袁因此剩余性质是一个假想的概念袁正是这样的处理方式实现了真实流体焓变的定量化遥3从理想功到热力学效率热力学第二定律提出能量品位和有序性的降低导致了熵的产生遥 为描述我们实际生活和生产过程中对能量的利用效率袁人们便定义了理想功的概念遥 即在一定环境条件下袁系统发生完全可逆过程时袁 理论上可能产生的或消耗的有用功遥 完全可逆过程是指系统内发生的所有变化都是可逆的袁同时系统与环境的相互作用也是可逆的遥 理想功是理论上的极限值袁它可作为评价实际过程能量利用率的标准遥 但由于实际过程中有部分可以做功的能量变成了热而导致熵的产生袁损失功被用来定义一个过程的不可逆性袁损失功越大袁可实现的理想功就越小遥 在这里热力学采用热力学效率袁理想功在实际功中所占的比例来描述真实过程与可逆过程的差距遥 化工热力学再次通过树立理想态这个野标杆冶袁从无法实现理想功的概念出发袁定义了损失功及其与熵变渊包括系统熵变和环境熵变冤之间的关系袁从而阐述了图 2从理想气体到真实气体状态方程的演变思路示意图许史杰等：化工热力学高阶思维的培养：从理想态到真实态135天津化工2023 年 9 月真实过程与理想可逆过程之间的差距袁通过损失功与热力学效率的定量袁我们可实现对化工工艺过程的能量分析袁 找出损失功占比较大的工序袁通过技术改造实现化工过程全链条的节能降耗与绿色化工的实质性发展遥4从理想混合物到真实混合物化工热力学为避开应用受局限的状态方程法从而方便计算液体混合物的逸度袁定义了理想混合物袁其特征为院 1冤分子结构相似袁大小一样曰2冤分子间的作用力相同曰3冤混合时没有热效应曰4冤混合时没有体积效应遥实际上袁 除了同分异构体及同系物之外袁大部分分子的结构均不相似袁大小也不一致袁分子间相互作用力也相差甚远遥 因此袁由于分子间结构与相互作用引起的差异将导致不同分子在混合时很难不产生体积效应和热效应遥 为描述这种真实溶液与理想溶液之间的偏差袁化工热力学引入了活度的概念袁通过引入活度系数来修正活度与浓度之间的偏差袁从而体现真实溶液的非理想性遥 在解决活度系数与组成之间的关联问题上袁通过引入超额性质袁 最终建立起溶液的超额Gibbs 自由能与组元 i 的活度系数之间的关系遥在此基础上袁 只要有合适的模型来描述超额 Gibbs自由能与组成之间的关系袁就可构建溶液的活度系数与其温度尧压力及组成的关系遥5总结与展望要培养具有国际竞争优势的新工科创新型人才袁除了专业知识的学习外袁高阶思维能力的发展也至关重要遥 经典化工热力学从引入理想态入手袁采用归纳-演绎法修正理想态袁以应用于真实态来解决实际应用问题的 野原理-模型-应用冶三要素思维方式袁 不仅能用于化工热力学领域袁还能用于其他领域的学习和应用遥在授课的过程中袁教师应注重传授这种方法论袁并帮助学生理解和应用遥 通过这种方法论的学习袁学生能够了解科学探索的基本步骤和思维方式袁 掌握如何从理论解决实际问题的方法袁以及如何将理论与实践结合起来袁从而提高他们的综合能力和解决复杂问题的能力遥除此之外袁教师还应激发学生的科学兴趣和好奇心袁 引导他们探索自然界的规律和现象袁鼓励他们提出自己的疑问和想法袁并指导他们进行科学思考和实验设计遥 这样才能培养学生的创新能力和实践能力袁为今后的学习和工作奠定良好的基础遥总之袁 通过经典化工热力学的方法论教学袁可培养出具有高阶思维能力尧科学探索精神和创新能力的新工科创新型人才袁为我国的科技发展做出贡献遥参考文献：1陈明鸣,马沛生,夏淑倩,等.相平衡本科生化工热力学课程的核心内容J.化学工业与工程,2005(S1):17-19.2夏淑倩,马沛生,陈明鸣,等.化工热力学课程改革J.化工高等教育,2006(4):38-41.3马沛生,夏淑倩.化工数据与其教学J.化学工业与工程,2005(S1):69-70.4张耀霞,张理平,曹振恒,等.化工热力学教学过程中的思考J.广州化工,2017,45(8):159-160，171.5谢新玲,赵钟兴,秦祖赠,等.化工热力学课程教学中的几点体会J.大众科技,2015,17(4):145-146.6曹健,冯新,陆小华.以学生视角看化工热力学课程的教与学J.化工高等教育,2020,37(5):15-18，137.7夏淑倩,马沛生,陈明鸣,等.让应用实例使 化工热力学 教学更加生动J.化学工业与工程,2005(S1):98-99.8夏淑倩,李永红.工程案例在工程专业学位硕士研究生化工热力学课程教学中的应用J.化工高等教育,2020,37(1):66-70.9郑立辉,宋光森,胡廷平,等.化工热力学概念的教学体会以偏摩尔量为例J.化工高等教育,2016,33(6):60-64.10郑开波,张诺诺,晏佳莹.化工本科专业 物理化学 和 化工热力学 的教学思考J.广东化工,2016,43(23):127，135.136