蔣潤花 尹輝斌 陳佰滿 黃斯珉 郭曉娟

(東莞理工學院 能源與化工系，廣東東莞 523808)

《工程熱力學》是能源動力工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，主要研究熱能與其他能量形式間相互轉換以及能量的有效釋放，特別是熱能轉化為機械能的規(guī)律和方法，以及提高轉化效率的途徑，提高能源利用的經(jīng)濟性。熱力學研究分為宏觀研究和微觀研究，工程熱力學主要應用熱力學宏觀研究方法，以熱力學第一定律、第二定律等基本定律為基礎，針對具體問題采用抽象、概括、理想化和簡化的方法，建立分析模型，推導出一系列公式，得到若干重要結論。該課程培養(yǎng)學生運用熱力學的定律和有關的理論知識，對熱力過程進行熱力學分析的基本能力，是后續(xù)其他專業(yè)課程的學習的必要基礎。由于該課程理論性強、公式多，死記硬背是比較困難，本文探討邏輯推理在《工程熱力學》中的應用，優(yōu)化教學內容，結合類比法，從學生已有的知識基礎出發(fā)，鼓勵學生動腦，推導相關公式，掌握工程熱力學基本理論，并能應用到具體工程實際案例［1－2］。

1 《工程熱力學》課程特點

教材是教師和學生之間的重要橋梁，選擇合適的教材對教學有重要指導意義。為了適應學校關于能源與動力工程專業(yè)的培養(yǎng)目標和教學要求，選用了沈維道、童鈞耕主編的《工程熱力學》第四版作為能源與動力工程專業(yè)教材。其主要內容包括熱力學基本概念與基本定律，如熱力系統(tǒng)、狀態(tài)參數(shù)、平衡態(tài)、熱力學第一定律、第二定律等;能量轉化過程特別是熱能轉化為機械能，是由工質的吸熱、膨脹、排熱等狀態(tài)變化工程實現(xiàn)的，常用工質性質等。

工程熱力學的理論性強，概念很抽象，公式多，應用條件復雜，如果在教學過程中不能很好解決這些問題，學生學習起來很枯燥，困難很大。在學習《工程熱力學》過程中需要學生把握課程的主要線索，研究熱能轉化為機械能的規(guī)律、方法以及怎么提高轉化效率和熱能利用的經(jīng)濟性，在深刻理解基本概念的基礎上運用抽象簡化的方法抽出各種具體問題的本質，應用熱力學基本定理和基本方法進行分析研究［3］。

2 邏輯推理在課程中的應用

2.1 課程教學內容優(yōu)化

在工程熱力學課程教學上面需要結合所學專業(yè)的特點，根據(jù)教材目錄對所需掌握內容，優(yōu)化調整課程教學內容。熱能與機械能相互轉換規(guī)律是工程熱力學研究的主要內容，整個課程內容分為兩個部分，理論基礎和工程應用?；A理論部分把基本概念、熱力學基本定律、工質性質和熱力過程有機結合在一起，在理論基礎上對工程應用實際熱力過程和熱力循環(huán)進行熱力性能研究和分析。工程熱力學貫穿的主線是熱力學第一定律和第二定律，熱力學第一定律從數(shù)量上揭示能量守恒和轉換定律，熱力學第二定律解決了能量傳遞或轉化時的方向、條件和限度等問題的規(guī)律。熱力學第一、第二定律兩個定律相互獨立同時又相互依存，共同構成了熱力學的理論基礎［4－5］。

在講授內容上，把握熱力學第一定律、第二定律這條主線，把講授內容分為理論基礎和工程應用兩大塊，合理安排講授時間，對于重點和難點內容需要安排多點時間，比如，熱力系統(tǒng)的選擇是學生剛開始學習工程熱力學最頭痛問題，如果熱力系統(tǒng)選擇不合理，導致整個熱力過程分析都會有誤。因此，需要多講幾個例題，讓學生學會選擇合適的熱力學系統(tǒng)，為工程熱力學下一步學習打下堅實的基礎［6］。

2.2 邏輯推理的應用

邏輯推理是用既得的知識推出新知識，一般是首先提供事實，使得人們在這些事實或自己感性認識的基礎上進行邏輯推理，推出未知的事物或結論，是一種由已知的判斷獲得新的判斷，從而增長新的知識的思維活動。它廣泛應用于數(shù)學中，數(shù)學中任何一個新命題的產(chǎn)生和問題的解決都依賴于邏輯推理。工程熱力學公式推導比較多，學生如果死記硬背，太痛苦。因為學生不理解公式的來源，在解題和應用過程很困難。本文把邏輯推理引到工程熱力學教學中，引導學生從基本概念和已有的知識出發(fā)，不再走“重公式，輕推導”模式，鼓勵學生自己動手推導，這樣，既大大激發(fā)學生的學習興趣，又培養(yǎng)學生抽象思維能力，熟悉一般實際工程問題的模型建立方法，學會對復雜的物理現(xiàn)象進行分析［7］。

在熱力學第一定律教學中，主要是基本能量方程式的推導，根據(jù)學生以前所學的知識，熱力學第一定律主要是能量守恒定律，即:進入系統(tǒng)的能量－離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)能量的變化量。對于閉口系統(tǒng)，無質量交換，只有能量交換。進入系統(tǒng)的能量只包括熱量Q，離開系統(tǒng)的能量只包括做功W，系統(tǒng)能量的變化量只包括內能的變化量ΔU，因此可以推導出閉口系統(tǒng)能量守恒方程為:Q－W=ΔU。對于開口系統(tǒng)，既有質量交換又有能量交換，因此進入離開系統(tǒng)的能量包括隨同物質帶進帶出系統(tǒng)的能量。進入系統(tǒng)的能量包括隨質量帶進系統(tǒng)的能量δmin(h+gz+1/2c2)in、進入系統(tǒng)的熱量δQ;離開系統(tǒng)的能量包括隨質量流出系統(tǒng)的能量δmout(h+gz+1/2c2)out、系統(tǒng)對外所做的功δWi;系統(tǒng)能量變化量為dEcv;因此推導開口系統(tǒng)能量守恒方程為:δQ+δmin(h+gz+1/2c2)in－δWi－δmout(h+gz+1/2c2)out=dEcv。

在熱力學第二定律教學中類似有熵方程的推導，為過程進行指明了方向。熵包括熵流sf和熵產(chǎn)sg，熵流是系統(tǒng)與外界換熱引起的系統(tǒng)熵變，可正、可負、可為零，視系統(tǒng)吸熱、放熱還是絕熱而定;熵產(chǎn)為過程不可逆因素造成的，且大于等于零。熱力學第二定律中的熵并不守恒，在熱力學過程中存在不可逆因素，導致熵是增加的，即增加熵產(chǎn)，類比熱力學第一定律，可以得出過程熵變化規(guī)律:進入系統(tǒng)的熵－離開系統(tǒng)的熵+過程熵產(chǎn)=系統(tǒng)熵的變化量。對于閉口系統(tǒng)，進入系統(tǒng)的熵為熱量傳入帶進的熵流Sf，離開系統(tǒng)的熵為零，過程因為不可逆因素產(chǎn)生的熵產(chǎn)Sg，系統(tǒng)熵的變化量為ΔS，因此可以推導出閉口系統(tǒng)熵方程為:ΔS=Sf+Sg。對于開口系統(tǒng)，進入系統(tǒng)質量帶的熵δminsin，進入系統(tǒng)的熵流δQ/T，離開系統(tǒng)質量帶的熵δmoutsout，過程不可逆因素造成的熵產(chǎn)δSg，系統(tǒng)熵的變化量為dScv，因此得出開口系統(tǒng)熵方程為:δminsin+δQ/T－δmoutsout+δSg=dScv。

工程熱力學其他公式可以用類似的方法，結合高等數(shù)學所學的微積分知識，可以根據(jù)已有的公式進行推導，很快可以得出所需要的公式，也不容易出錯，用起來也得心應手。學生在推導過程中一方面加深了對工程熱力學知識的理解和其他知識綜合應用能力，另一方面培養(yǎng)學生的邏輯推理能力。

3 與類比法相結合

類比法是將事物某些相同方面進行比較，以另一事物的正確或謬誤證明這一事物的正確或謬誤。類比法是一種直接的對應思維方法，具有迅速、簡捷的特點。在上述的能量方程和熵方程推導過程中，我們可以類比熱力學第一定律和熱力學第二定律，通過類比法，掌握熱力學第一定律和熱力學第二定律之間內在聯(lián)系和區(qū)別，熱力學第一定律強調是能量守恒，而在熱力學第二定律中揭示了能量傳遞和轉換的方向，類比能量守恒方程和熵方程，兩個方程結構基本類似，只是相比于能量守恒方程而言，熵方程中多了一項因為不可逆因素存在產(chǎn)生的熵產(chǎn)。在學習理想氣體的基本熱力過程中，我們根據(jù)理想氣體的可逆多變過程方程式，得出定溫過程、定壓過程、定容過程和定熵過程基本方程，采用邏輯推理的方式，結合類比法，得出這個四個基本熱力過程功、技術功和過程熱量，并在p－v圖和T－s圖上描述基本熱力過程，為后面工程實踐案例分析打下基礎［8］。

4 結語

邏輯推理能力對理工科學生來說是必不可少的，工程熱力學因為理論性強，公式多，光死記硬背是很難掌握的，采用邏輯推理，結合類比法，讓學生更牢固理解，培養(yǎng)學生積極思考和解決理論問題的能力，為更好的處理工程實踐案例打下基礎。

［1］馬國立．工程熱力學教學中的幾點認識［J］．制冷與空調，2005(2):84－85．

［2］耿凡，王迎超．“工程熱力學”課程的研討式教學改革［J］．中國電力教育，2013(5):76－77．

［3］秦萍．工程熱力學教學中若干問題的探討［J］．制冷與空調，2009，23(6):115－117．

［4］陳梅倩，陳淑玲，張華．《工程熱力學》課程教學方法的研究和實踐［J］．中國電力教育，2008(1):80－82．

［5］劉鴻，肖立川．工程熱力學課程教學方法探討［J］．江蘇工業(yè)學院學報，2007，8(3):103－105．

［6］童鈞耕．工程熱力學課程教學改革的幾點看法［J］．中國電力教育，2002(4):70－72．

［7］王源生，劉佑生．傳統(tǒng)邏輯推理類型研究的現(xiàn)狀及其教學的建議［J］．湖南科技學院學報，2005，26(12):245－247．

［8］段雪濤，劉春梅，王學濤．工程熱力學課程教學改革探討［J］．制冷與空調，2009，23(3):103－105．