邏輯推理在《工程熱力學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

蔣潤花 尹輝斌 陳佰滿 黃斯珉 郭曉娟

(東莞理工學(xué)院 能源與化工系，廣東東莞 523808)

《工程熱力學(xué)》是能源動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究熱能與其他能量形式間相互轉(zhuǎn)換以及能量的有效釋放，特別是熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的規(guī)律和方法，以及提高轉(zhuǎn)化效率的途徑，提高能源利用的經(jīng)濟(jì)性。熱力學(xué)研究分為宏觀研究和微觀研究，工程熱力學(xué)主要應(yīng)用熱力學(xué)宏觀研究方法，以熱力學(xué)第一定律、第二定律等基本定律為基礎(chǔ)，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(dǎo)出一系列公式，得到若干重要結(jié)論。該課程培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用熱力學(xué)的定律和有關(guān)的理論知識，對熱力過程進(jìn)行熱力學(xué)分析的基本能力，是后續(xù)其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)的必要基礎(chǔ)。由于該課程理論性強(qiáng)、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(xué)》中的應(yīng)用，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合類比法，從學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)出發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)腦，推導(dǎo)相關(guān)公式，掌握工程熱力學(xué)基本理論，并能應(yīng)用到具體工程實(shí)際案例［1－2］。

1 《工程熱力學(xué)》課程特點(diǎn)

教材是教師和學(xué)生之間的重要橋梁，選擇合適的教材對教學(xué)有重要指導(dǎo)意義。為了適應(yīng)學(xué)校關(guān)于能源與動(dòng)力工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)要求，選用了沈維道、童鈞耕主編的《工程熱力學(xué)》第四版作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)教材。其主要內(nèi)容包括熱力學(xué)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(xué)第一定律、第二定律等;能量轉(zhuǎn)化過程特別是熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，是由工質(zhì)的吸熱、膨脹、排熱等狀態(tài)變化工程實(shí)現(xiàn)的，常用工質(zhì)性質(zhì)等。

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

2 邏輯推理在課程中的應(yīng)用

2.1 課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

在工程熱力學(xué)課程教學(xué)上面需要結(jié)合所學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，根據(jù)教材目錄對所需掌握內(nèi)容，優(yōu)化調(diào)整課程教學(xué)內(nèi)容。熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律是工程熱力學(xué)研究的主要內(nèi)容，整個(gè)課程內(nèi)容分為兩個(gè)部分，理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用?；A(chǔ)理論部分把基本概念、熱力學(xué)基本定律、工質(zhì)性質(zhì)和熱力過程有機(jī)結(jié)合在一起，在理論基礎(chǔ)上對工程應(yīng)用實(shí)際熱力過程和熱力循環(huán)進(jìn)行熱力性能研究和分析。工程熱力學(xué)貫穿的主線是熱力學(xué)第一定律和第二定律，熱力學(xué)第一定律從數(shù)量上揭示能量守恒和轉(zhuǎn)換定律，熱力學(xué)第二定律解決了能量傳遞或轉(zhuǎn)化時(shí)的方向、條件和限度等問題的規(guī)律。熱力學(xué)第一、第二定律兩個(gè)定律相互獨(dú)立同時(shí)又相互依存，共同構(gòu)成了熱力學(xué)的理論基礎(chǔ)［4－5］。

在講授內(nèi)容上，把握熱力學(xué)第一定律、第二定律這條主線，把講授內(nèi)容分為理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用兩大塊，合理安排講授時(shí)間，對于重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容需要安排多點(diǎn)時(shí)間，比如，熱力系統(tǒng)的選擇是學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)工程熱力學(xué)最頭痛問題，如果熱力系統(tǒng)選擇不合理，導(dǎo)致整個(gè)熱力過程分析都會(huì)有誤。因此，需要多講幾個(gè)例題，讓學(xué)生學(xué)會(huì)選擇合適的熱力學(xué)系統(tǒng)，為工程熱力學(xué)下一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［6］。

2.2 邏輯推理的應(yīng)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(shí)，使得人們在這些事實(shí)或自己感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯推理，推出未知的事物或結(jié)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(dòng)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)中，數(shù)學(xué)中任何一個(gè)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(xué)公式推導(dǎo)比較多，學(xué)生如果死記硬背，太痛苦。因?yàn)閷W(xué)生不理解公式的來源，在解題和應(yīng)用過程很困難。本文把邏輯推理引到工程熱力學(xué)教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從基本概念和已有的知識出發(fā)，不再走“重公式，輕推導(dǎo)”模式，鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手推導(dǎo)，這樣，既大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力，熟悉一般實(shí)際工程問題的模型建立方法，學(xué)會(huì)對復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行分析［7］。

在熱力學(xué)第一定律教學(xué)中，主要是基本能量方程式的推導(dǎo)，根據(jù)學(xué)生以前所學(xué)的知識，熱力學(xué)第一定律主要是能量守恒定律，即:進(jìn)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(zhì)量交換，只有能量交換。進(jìn)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(nèi)能的變化量ΔU，因此可以推導(dǎo)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(zhì)量交換又有能量交換，因此進(jìn)入離開系統(tǒng)的能量包括隨同物質(zhì)帶進(jìn)帶出系統(tǒng)的能量。進(jìn)入系統(tǒng)的能量包括隨質(zhì)量帶進(jìn)系統(tǒng)的能量δmin(h+gz+1/2c2)in、進(jìn)入系統(tǒng)的熱量δQ;離開系統(tǒng)的能量包括隨質(zhì)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(dǎo)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(xué)第二定律教學(xué)中類似有熵方程的推導(dǎo)，為過程進(jìn)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(fù)、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(xué)第二定律中的熵并不守恒，在熱力學(xué)過程中存在不可逆因素，導(dǎo)致熵是增加的，即增加熵產(chǎn)，類比熱力學(xué)第一定律，可以得出過程熵變化規(guī)律:進(jìn)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(jìn)入系統(tǒng)的熵為熱量傳入帶進(jìn)的熵流Sf，離開系統(tǒng)的熵為零，過程因?yàn)椴豢赡嬉蛩禺a(chǎn)生的熵產(chǎn)Sg，系統(tǒng)熵的變化量為ΔS，因此可以推導(dǎo)出閉口系統(tǒng)熵方程為:ΔS=Sf+Sg。對于開口系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)質(zhì)量帶的熵δminsin，進(jìn)入系統(tǒng)的熵流δQ/T，離開系統(tǒng)質(zhì)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(xué)其他公式可以用類似的方法，結(jié)合高等數(shù)學(xué)所學(xué)的微積分知識，可以根據(jù)已有的公式進(jìn)行推導(dǎo)，很快可以得出所需要的公式，也不容易出錯(cuò)，用起來也得心應(yīng)手。學(xué)生在推導(dǎo)過程中一方面加深了對工程熱力學(xué)知識的理解和其他知識綜合應(yīng)用能力，另一方面培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力。

3 與類比法相結(jié)合

類比法是將事物某些相同方面進(jìn)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(yīng)思維方法，具有迅速、簡捷的特點(diǎn)。在上述的能量方程和熵方程推導(dǎo)過程中，我們可以類比熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，通過類比法，掌握熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律之間內(nèi)在聯(lián)系和區(qū)別，熱力學(xué)第一定律強(qiáng)調(diào)是能量守恒，而在熱力學(xué)第二定律中揭示了能量傳遞和轉(zhuǎn)換的方向，類比能量守恒方程和熵方程，兩個(gè)方程結(jié)構(gòu)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(xiàng)因?yàn)椴豢赡嬉蛩卮嬖诋a(chǎn)生的熵產(chǎn)。在學(xué)習(xí)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(jié)合類比法，得出這個(gè)四個(gè)基本熱力過程功、技術(shù)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(shí)踐案例分析打下基礎(chǔ)［8］。

4 結(jié)語

邏輯推理能力對理工科學(xué)生來說是必不可少的，工程熱力學(xué)因?yàn)槔碚撔詮?qiáng)，公式多，光死記硬背是很難掌握的，采用邏輯推理，結(jié)合類比法，讓學(xué)生更牢固理解，培養(yǎng)學(xué)生積極思考和解決理論問題的能力，為更好的處理工程實(shí)踐案例打下基礎(chǔ)。

［1］馬國立．工程熱力學(xué)教學(xué)中的幾點(diǎn)認(rèn)識［J］．制冷與空調(diào)，2005(2):84－85．

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

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

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

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

［6］童鈞耕．工程熱力學(xué)課程教學(xué)改革的幾點(diǎn)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(xué)的建議［J］．湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，26(12):245－247．

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