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化工热力学内容较多，而教学时间有限，这就要求教师要打破传统的授课体系，注重各章节知识的横向联系，深入对教学内容加以研究，挖掘教学内容深层次内涵，将书本上的内容提炼出来讲给学生听。比如在讲述偏离函数的时候，要把偏离函数和状态方程以及对比态原理、常用热力学基础数据结合起来，推导合适状态方程下的偏离函数，并求取常数值，指导和鼓励学生们用临界温度和临界压力，对比温度和对比压力，偏心因子和基础数据估算热力学过程。这样整个课程通过偏离函数就可以形成有机统一。对于课程中的封闭系统和敞开系统，同学们在物理化学中并没有太多深刻认识，在课堂上我抛出化工工艺学中的氨合成，这样的问题使同学们感受到课程间的相互衔接。对于氨的合成，同学们都知道N2+3H2→2NH3，在反应平衡之前，组成都在发生变化，在反应之前和反应平衡之后，组成都是不变的，这几个状态下系统的研究和学习，有助于同学们对化学反应的整个过程的热力学性质的计算，包括均相封闭系统和均相敞开系统的联系与区别。
3多媒体教学和互动教学结合
多媒体教学是现代化教学手段，灵活有效使用多媒体教学可以使抽象的概念具体化，提高教学的有效性，在教学过程中，由于教学内容过多，如果采取大量板书教学，势必会影响教学进度，同时该门课程要向同学们展示大量化工设备图片，必须要采用多媒体教学。大学教学必须要师生互动，而师生互动教学的关键在于教师的提问，所以要设计多层次多方面适合教学内容的问题，问题设计有难有易，可以促进整个班上不同层次的学生的思考，问题都设计的简单，学的较好的同学就会无所事事，问题都设计的难，跟不上节奏的学生会一脸茫然失去学习兴趣，好的问题可以帮助同学们从多层次多角度思考问题，化工热力学的精髓实际就是能量利用和节能减排的时候，同学们对于能量利用还有基本的认识，因为在物理化学里面就谈到了反应的方向和限度。但是对于节能减排，却没有深刻认识。结合国家目前大力致力于关转停高耗能和高污染企业，并提倡绿色工业和绿色居住，同学们了解到能量利用和节能减排已经上升到国家战略高度。对于能量利用，要有实例，比如向大家介绍1摩尔水在气化完之后是水在液态的时候体积的1603倍，而体积增大正好做工，正是因为如此，蒸汽机才能带动火车，实现第一次工业革命。基于此，激发同学们想到汽油作为工质做工，让汽车跑的更快，让飞机飞的更远，让轮船遨游大洋。举一反三，这些都是同学们在日常生活中时时碰到，原来能量利用是如此重要。正是因为能源的普遍利用，国内自然环境正经历伦敦雾都在第一次工业革命的阵痛，节能减排和能量合理利用就尤为重要。
谈节能减排和能量合理利用很重要，这是同学们必须要慢慢接受的观点，要深入大脑，案例很重要。比如说煤矿的使用带来了大量粉尘和大量排放和地质危害，所以国内正在大力开发煤制油的技术以及更清洁的原料天然气。而石油的地下存量已经在减少，大庆油田已经进入老年，这也告诉同学们石油和煤矿，天然气这些能源都是不可再生，总有用完的一天，同时这些不可再生的能源都有一个害处，就是燃烧之后有二氧化碳和一氧化碳的排放，都臭氧层有很大的破坏，地球的温度在上升。那么有没有什么好的替代能源呢，同学们普遍感兴趣，而且也是科技工作者共同的难题。这个时候我会在适当时候抛出水制氢这样一个最简单的课题，作为老师是知道现在很多研究小组都在研究水制氢的课题，也是科技界的热点和难点。但是对于同学们而言，同学们会认为这是一个多么简单的问题，只要电解就可以实现。
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0 引言
随着人们节能意识的不断提高，为了获取更大的经济效益，人们将热力学原理应用于工程实际各能量系统的分析中。能量系统的热力学分析是根据热力学原理对各种能量系统进行研究分析，以明确系统各部位的能量损失状况，求取各种性能指标，对所研究的系统进行客观评价。
1 热力学分析的方法、内容
热力学分析的方法主要包括两种：以能量平衡为基础的叫做能分析法，它是传统的分析方法，依据热力学第一定律，建立在能量“量”的守恒上，对热力系统进行分析。而以平衡为基础的叫做分析法，是近些年发展起来的一种方法，依据热力学第二定律，是对能量“质”的分析[1][2]。
1.1 能分析法
能分析法是以热力学第一定律为基础，应用热平衡原理，并以热效率为基本评价准则，分析、评价系统能量有效利用状况的方法。它依据能量系统建立热力学模型，进行能量平衡计算，得出系统的热效率和各项热损失，得到系统热损失的分布，从而找出系统中热损最大的薄弱环节和部位，为改进设备和系统的用能状况提供技术依据。
1.2 分析法
分析法是以热力学第二定律为基础的热力学分析法。它是依据能量中的平衡关系，列出平衡方程并求解，通过分析，揭示能量中的转换、传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的利用效率。
分析法的主要内容有[3]：
①进行物流、热量衡算，确定输入、输出体系中各种物流量、热流量、功流量以及各物流的状态参数（如温度、压力、组成等）。
②流计算。
③由平衡方程确定过程的损失。
④确定效率。
参与用能系统的流，可以分为三类，即输入流、输出流和系统内流。
①输入流类：是指由外界的源，物流穿过系统边界而进系统的。
②输出流类：是指由系统通过边界向外输出的。
③系统内部类：是指系统的输入于输出之差的部分。
1.3 两种热力学分析法的比较
两种热力学分析方法都是通过输入输出，有效利用能和损失的平衡，求解系统的总损失，进而确定损失的分布。并通过计算出的效率有效利用率来评价系统的完善程度。但能分析法只是从不同质的能量在数量上的守恒来计算损失，因而只计算外部损失而忽视了内部损失，其评价指标也只是计算了被利用部分能的数量和输入能的数量而忽略了其质量的变化，即忽略了过程的不可逆性所带来的损失。而且能效率的分子分母常常是不同质的对比，不能准确地表征能量的利用程度，而效率和分析法正好能解决上述缺陷，所以分析法要比能分析法更科学、更深入也更全面，它能准确地揭示损失的原因、部位以及指出改进方向等。分析方法既可以进行系统分析，又可以进行优化综合，它可以很便捷地进行系统优化，与经济因素结合后还可作设备全寿期成本统计等[4]。
随着节能工作的一步步深入，分析方法在能源管理、热能动力、制冷技术、石油化工和冶金等许多领域得到了广泛的应用。目前，有些国家已经将方法用于热力系统的热经济分析当中，而我国火电机组热力系统的分析方法实际上都是基于热力学第一定律的分析方法，其存在的缺点是不能揭示内部不可逆性大小，不能反映能质的蜕变情况，不能体现不可逆性对经济性造成的影响。因此对热力系统进行研究分析，根据分析结果所提出的问题采取相应的措施提高热力系统的热经济性，具有十分重要的现实意义[5][6]。
2 锅炉系统的热力学分析
2.1 原始数据
某电厂锅炉，其出口蒸汽压力为p=13.72MPa，温度为330℃，给水温度tw=215℃，尾部排烟温度为135℃，过热蒸汽量为410t/h，空气预热器出口空气温度为226℃，炉膛过剩空气系数为1.1。理论空气量为4.907m3/kg，每小时燃煤量为58298kg，其燃煤的低位发热量QL=18636
kJ/kg，全水分ω=4.9%。环境温度为19℃，依据上述数据分别对此锅炉系统进行能分析和分析。
2.2 分析计算
设图中mf、ma、ms、mg和mw分别为燃料、空气、蒸汽、烟气和给水的质量流量；而ha、hs、hg分别表示相应物质的焓，QL为燃煤的低位发热量，QB是损失的热量；ef、ea、es、eg和ew表示相应各物质流的比，IQ为向环境散失热量而引起的损失。由题设得：mf=58298kg，ma=4.907×1.293×1.1×58298=406875kg，ms=410000kg，不考虑锅炉排污损失mw=ms=410000kg，由已知温度查表得：
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）
图1 锅炉的能量平衡
图2 锅炉的平衡
按照图1所示的锅炉能量平衡关系，得出能量平衡方程：
mfQL+maha+mwhw=mshs+mghg+QB （1）
其中QB、mghg为损失的能量，而mshs-mwhw=ms（hs-hw）为有效利用的能量，则该锅炉的能效率为：
η=
=
=1.91（2）
按照图2所示的锅炉平衡关系，可以写出下面的平衡方程：
mfef+maea+mwew=mses+mgeg+IQ+IB（3）
式中IB表示整个锅炉内部过程总的损失。考虑到mw=ms，则锅炉内部过程总损失为：
IB=mfef+maea-ms（es-ew）-mgeg-IQ（4）
该锅炉的目的效率η应为：
η= （5）
由于es=（hs-h0）-T0（Ss-S0），ew=（hw-h0）-T0（Sw-S0）两式相减得：
es-ew=（hs-hw）-T0（Ss-Sw） （6）
用（5）对应除以（2）可得：
η=η （7）
将（6）式代入上式，则有：
η=η（1-T0） （8）
代入数据得：
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 结论
从以上的计算结果可以看出，虽然是对同一台锅炉进行效率计算，但能效率和效率相差很大，能效率为91%而效率仅为69%，能效率的计算主要取决与锅炉排烟向外界散热的多少，主要考虑的是能量“数”的变化。但效率则不同，它不仅考虑了锅炉燃烧过程中的外部损失，而且考虑了燃烧、传热等锅炉内部各个过程所造成的不可逆损失。实际上，蒸汽锅炉的损失中最大的一项就是燃料燃烧和传热造成的损失，所以虽然从能效率即能量的数量上来看锅炉损失的不多，但这部分能量都是高品位的能量，价值都很高[7][8]。
由此可见，效率比能效率更能完善地反映锅炉的热经济性。所以，通过系统分析计算，找出损高的部位，采取相应措施进行改善。对目前我国火电机组热力系统分析具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]郑体宽.热力发电厂.中国电力出版社，2001.
[2]郭民臣，魏楠.电厂热力系统矩阵热平衡方程式及其应用[J].动力工程，2002，22（2）：1733-1738.
[3]杜亚荣.600MW机组热力系统的热力学分析与优化.硕士学位论文，保定：华北电力大学动力系，2007.
[4]朱明善.能量系统的分析.清华大学出版社，1988.
[5]林万超.火电厂热系统节能理论.西安：西安交通大学出版社，1994.
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在教材中完善的同时，及时更新化工专业英语的教学大纲和课程教授内容的PPT制作。在此主要强调PPT的模块式教学，将课程的教授分成八个系列专题报告，每一个专题可以论述一个具体领域的概况，便于学生更全面地认识化学工程与工艺专业究竟是一个怎么样的行业。结合学生已修过的《化工热力学》、《化工原理》、《分离工程》、《洁净煤技术》、《化工设计》、《石油炼制工程》专业课，尤其是煤化工(煤制油、煤制天然气、煤制甲醇、煤制烯烃)、煤层气综合利用、清洁油品生产、生物质能转化、稀土洁净化生产等领域发展，列举出各个领域中典型的工艺进行介绍，可以更加深刻理解各个工艺过程。比如，专题报告五主要介绍聚丙烯聚丙烯产品的特点和用途，生产工艺的具体流程和特点，以及催化剂的特性。专题报告教学模式(图2)的教学更能提高学生对于前言工艺和典型的认识和熟悉，为学生步入社会和工作岗位奠定一定的基础。
3科技论文写作的初步入门
通常情况下，科技英语论文文章结构严谨，文体形式多样化，如论文、论述、实验报告、教材、专利、说明书等，文章尊重客观事实，多以叙述原理，描述自然现象为主，用词严谨、理论推导多、表达明确、逻辑性强。为此，从化工领域的期刊中(比如，Industrial&EngineeringChemistryResearch.，AIchE，Energy&Fuel等)中选取几篇文章，每篇论文的大体框架基本为题目、作者及地址、摘要、前言、实验部分、结果与讨论、结论、致谢、参考文献等九个部分，然后进行阅读讲解，着重介绍阅读过程中如何迅速把握论文的重点，哪些需要精读，哪些需要略读，在此基础上才能有效提高阅读论文的效率。在熟练阅读的基础上，针对以上的论文框架，展开具体每个部分应该怎样去写，并进行举例说明。每讲完一部分，需要给出一个题目，要求同学们一起来讨论并给出一个具体的写作方案，这些全部都要求学生在课堂上完成，这样便于及时消化内容，达到趁热打铁的效果。在学期末组织学生模拟参加一次国际学术会议，将课上的同学分成几个大组，各组的学生可以在课下利用课余时间搜集一些针对化工领域的相关材料，亲自动手组织和编写材料，制作PPT，并与其它组的学生进行交流和讲解，这样既能使学生及时了解当今世界最新科技动态，又能将本人在专业领域研究的新成果和新思路直接与同行进行交流。这样也可以打破传统的以教师为主的劣势，充分发挥学生的主观能动性和团队协作能力，从读、写、讲上突破自我，更加适应专业英语对于化工专业人才的培养。
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至上世纪末，我国热工课程开设的情况是：有150余所高等工业学校开设热工类课程，分布在除台湾、、青海三省区以外的境内高校。全国热工课程教学的一般情况是：(1)热工课程的设置主要在能源动力类、石油化工类、航天航空类、土建类、交通运输、轻纺食品等大类专业；(2)热工教学实验以验证性为主，测试手段比较落后，设备比较陈旧：(3)已经出版了一批由我国作者自行编写的工程热力学、传热学与热工学教材。
6年多来，经过“211工程”、“985工程”建设项目的支持，我国热工实验教学情况有了较大改观，开课的大类专业面有所扩大，机械类专业目前大多开出了少学时的热工学课程。同时通过教育部组织的面向21世纪教学内容和课程体系的改革，以及21世纪初高等教育教学改革项目的实践，出版了一批面向21世纪课程教材，使我国热工课程教材的内容有了较大的更新，编著水平也明显提高。在近十年中，国际上工业先进国家也同时在进行着类似的改革，并出现了一批比较优秀的新教材。与这些先进国家的热工课程教学和新教材相比较，我国还有一定的差距，某些方面差距还比较大。
本文在简要回顾了热工课程教学的历史后，着重介绍和分析了工业发达国家近十年中热工及相关课程的教学与教材编著情况，最后提出作者的意见，以求教于国内同行专家和教师。
一、国外、境外热工课程教学发展情况
1．热工课程教学的历史
近代热科学的产生与初期的发展集中在欧洲国家。根据文献[1]的观点，热科学研究的起源可以追溯到Galileo时代(1592)，而且早期热学作为物理学的一部分，热力学与传热学的研究是溶为一体的，例如Boltzmann从热力学证明了Stefan由实验得出的辐射四次方定律。又如热力学第二定律的创建人之一Kelvin在1862年用以下的方法来估算地球的年龄：假设地球之初是温度均匀(3900℃)的圆球，热扩散率为常数，取为岩石沙砾之值，利用Fourier导热微分方程，按半无限大物体计算，从初温冷却到目前地层深处的温度梯度(1℃／27．8m)需要9800万年。按现代的观点看，Kelvin显然求解了一个传热学的问题。
无论热力学还是传热学，其发展都经历了从“科学”到“工程”的过程，即，从初期作为物理学一部分的热学演变、发展成密切结合工程实际的“工程热力学”与“工程传热学”。以传热学为例，[2]在19世纪的物理学中热量传递方式只有导热与辐射，其基本定律均已得到解决。然而大量的工程问题中还遇到流体与固体间的热交换，虽然牛顿早在1701年就提出了对流换热的初期思想，但并没有真正解决工程计算问题，一直到进入20世纪，经过一批主要是德国科学家的努力，包括Prandtl、Karmann、Nusselt、Blasius以及后来的Eckert，也有前苏联科学家(如Kirpichev等)的贡献，传热学开始由“科学”演变成“工程”，其中整理试验数据的量纲分析方法或相似原理引入传热学的对流换热是一个标志性的转折。第二次世界大战后，传热学的研究中心由德国转移到美国，其中Jakob、Karmann及Eckert三位德国科学家的移居美国起了很大的作用。欧美国家工程热力学与传热学课程的开设始于何时，暂时无法查考。就教材而言，最早的一本传热学可能是德国科学家Grober的著作(1921)。[3]然而影响较大的要推McAdams的“Heat transmission”(1933)。[4]随后Jakob与Hawkins的教材，[5]Eckert的教材[5]相继问世，成为20世纪40～50年代的代表作。Holman的传热学第一版出版于1963年。[7]此后欧美以及前苏联的传热学教材出版情况可见文献[8]。
2．近代热工课程开设情况
到20世纪80年代后，工程热力学与传热学已经成为欧美国家机械类学生的必修课，有的学校还设为工科学生的基础课。根据我们的调查统计，在境外的高等工程教育中，传热学与热力学课程的开设相当普遍。[9]我们曾经调查过国外20余所大学开设热工课程的情况。从返回的调查表看出，机械工程系、化工系、核能工程系、材料系等均普遍开设热工类课程。有的学校把热学类课程作为工学院的公共课程，如美国依阿华(Iowa)州立大学工学院在2000年开出的81门课程中(不含基础课)，包括有电子、信息、计算机、控制、电磁场等系列的课程，其中热学方面的基本课程有4门，即热力学I、热力学II、传热学及热流系统设计。麻省理工、普渡大学及密西根大学等，热力学和传热传质学都是机械系设置的主要课程之一。表1是密西根大学工学院机械系学科基础和专业课课程学分情况，从中可以看出热工理论课程所占的分量。
在美国高等学校中，机械工程系主修课程的设置一般分为两个层次，即(1)基本层次，该层次中的课程一般覆盖了该校机械系各个研究方向的最基本的原理，是所有学生的必修课，在这一层次课程中均包含热力学与传热学的基本原理课程在内。(2)专门化层次，该层次中按专门方向不同而分成若干组课程供学生选修。欧美这样的课程设置值得我们借鉴。
3．最近十年美国热工课程教学的发展
在最近十年中，美国高等学校工科热工课程的教学呈现出许多新的发展趋向值得我们重视。首先在热工课程教材方面，美国高校中出现了像Cengel与Boles的Thermodynamics――An Engineering Approach，[10]Cengel的Heat transfer――A practical approach，[11]Incropera／DeWitt的Fundamentals of heat transfer[12]这样取材丰富、构思新颖、内容先进的教材。有关这些教材特点的
详细分析见参考文献[8]。
在热工实验方面，20世纪末美国高校也进行了面向21世纪的探索，例如美国普渡大学DeWitt等三位教授进行了题为“Curriculum for the 21th Century”的研究，[13]对于传热学试验提出了以下改革内容：
(1)减少“传统”的实验，增加学生进行团队项目的时间；(2)增加有挑战性的工程设计项目；(3)给予动手训练机会；(4)训练与工程界合作；(5)培养交流项目结果的能力。
为此，该校改进了原有的实验系统，配备了数据采集系统，同时从工业界不断引入设计性的实验课题，并分解成为团队项目的内容。从普渡大学机械系的这一改革思路看强调了减少传统的实验，增加来自工业界实际项目的训练；强调了团队合作的训练；强调了培养交流与动手的能力。
当然传统的实验还是需要的，是加深学生对教学内容的理解以及培养动手能力的环节。在传统实验的内容与组织上也要注意综合性的培养。我们来看普渡大学的传统传热学实验课程的内容，参见表2。
由表2可见，就这些传统的实验内容而言，其综合性与测试技术的训练也是比较好的。
二、对今后教学改革与发展的一些思考
1．热工课程教材怎样适应不同类型学生的培养需要
热工课程的基本知识应当成为工科各专业学生必须具备的技术素质，热工课程应当成为我国工科学生、尤其是机械类专业的学生的共同的工程基础课程。这是由于：(1)热现象是自然界中最普遍的物理现象，同时各个工程技术领域中及日常生活中的各种其他形式能量最终大都是以热能的形式耗散于环境及宇宙之中。因而作为介绍热能的有效、合理的利用和转换、传递技术的热工课程，不仅应是许多大类专业的重要技术基础课，而且也应是21世纪所有工科类专业学生的一门公共技术基础课。(2)我国中长期能源发展规划制定了节能优先战略，提高能源利用率是确保我国中长期能源供需平衡的先决条件。无论是从国内资源还是世界资源的可获量考虑，中国只有创造比目前工业化国家更高的能源效率，才能在有限的资源保证下，实现高速经济增长和达到中等发达国家人均水平。因此，工科学生应该具备合理用能、节能的意识并懂得其基本技术。而热工课程的内容是合理用能及节能理论中最基础与核心的部分，热工基础课程在工科各专业人才培养中具有重要的作用和地位。
按照这一观点，在我国工科21类专业中，[14]至少有6大类(能源动力类、化工制药类、航空与航天类、环境与安全类、武器类、土建类)专业应该开出高学时的工程热力学与传热学的课程，其中能源动力类是最典型的一个大类专业。我国目前设有能源动力大类专业的学校有130余所。按照教育部分类办学的思想(研究型，教学型以及介于其间的类型)，这一百多所学校不可能是属于同一类型的学校。那么同是高学时工程热力学与传热学在教材上是否要有所区分?还是可以采用同一种教材由主讲教师酌情选讲?如果有区分，区分主要在哪些方面?这一问题涉及到热工课程教学指导委员会在制定基本要求以及今后组织教材编写方面的一个基本考虑，需要通过深入研究取得共识。
2．如何使教材内容适时地跟上学科与工程技术的发展
近代工程技术的发展给本科热工课程教学带来了巨大的变化。[8]例如，20年前的本科生教材很少有关于火用分析方面的内容，而现在这个状态参数已经被广泛接受并用来分析设备过程的能量利用情况。近代高新技术的发展给传热学增添了许多新的内容，近十年内发展起来的纳米微米传热学就是一例。
相对于传热学，工程热力学国内外教材的内容显得过于稳定，近年来出版的教材中新技术的概念介绍极少。比如，当前中国的长期能源问题已经十分突出，为保护环境，执行可持续发展的方针，在工程热力学教材上，对新的、先进的能源利用方式(联合循环发电、氢能利用、燃料电池、分布式发电和热电冷三联供、新能源发电等等)是否应该有适当的反映?超临界和超超临界循环是传统燃煤汽轮发电机组提高经济性与环保性的有效途径，也是近年来国外燃煤火电厂的重要发展方向及我国要积极研发的方向，在工程热力学的新教材和今后的教学中也应有相应的地位。
3．热工课程的实验教学改革与更新应当怎样进行
热工课程包含的两门学科，热力学与传热学，都是应用科学，实验教学无疑是完整的课程教学的组成部分。多年的经验表明，实验教学的改革与发展某种程度上比课程本身还要困难，主要是涉及到设备的购置、更新所需的经费问题。在国家实施“211工程”二期或者“985工程”的建设中怎样利用有限的资源(财力)来改革、更新热工教学实验值得重视。在建设实际动手的实验台位时，是否也可利用多媒体的工具建设或购置一些“软件实验”作为补充?[15]在动手的实验方面，前苏联曾经出版过有关传热学实验教学的图书，[16]20世纪80年代热工教学指导委员会也组织出版过这样的图书。[17]目前有否必要再组织出版这样的参考书?
4．在热工课程的教材与教学过程中怎样加强学生的能力与创新精神的培养
近期世界范围的内的教育改革都十分注意对学生解决问题的能力与创新精神的培养，这从最近出版的美国教材中可以明显看出。由于中外教育体制、教育传统和教学理念方面的不同，在吸收西方教材先进经验的同时，我们应当努力探索适应我国具体情况的措施与方法。过去的实践表明，首先教师本身除了从事教学以外一定要参加科研，以丰富自己的学识、提高自己的业务水平。在教学过程中每位教师都应努力将教学内容与自己的学术经历结合起来，努力使书本上的资料成为活生生的实例。在教学法方面注意启发性，辅以对部分学有余力学生的讲座等课外活动，等，这些都能收到一定成效。但是从总体上说，热工课程教学中探索对学生的能力与创新精神的培养仍然是进一步研究的课题。
5．是否要开出经过整合的新型热工课程
为适应不同类型专业的需要，可以开设出一些综合性的新的热工类课程。无论是能量转换、热量传递还是质量传输，都有如何提高转换效率、传递效率和节约能源的问题，其中的关键是要减少过程的熵产(或不可逆损失)以及强化传递过程。这是它们共同的最重要的东西，可否开设一门综合热力学、传热学、传质学和流体力学的新课――例如可称为“热设计及优化”。国外目前已经有这类图书出版，第一步可以翻译过来作为参考教材。如果关于“优化”的内容能结合一些专业过程中的具体问题，那么这样的课程就会受到相关专业的欢迎。
6．热工课程的双语教学应当怎样进行
双语教学是目前教育部提倡进行的一项教学改革，
而热工基础课程也常常被选为进行工程技术课程的双语教学的对象。[18]这里涉及到许多具体问题：在编写汉语教材时怎样照顾到双语教学的需要?怎样选择英语工程热力学与传热学教材?怎样循序渐进地进行教学，以真正收到双语教学的实效而不流于形式?
7．对我国中青年热工课程教师学术趋向的思考
要提高我国热工课程教学质量，关键在于教师。与我国人才队伍总体情况一样，我国热工课程教师队伍的主体已经由30～45岁的中青年教师所构成。这个主体的特点是学历层次较高，大多数具有博士学位，一般具有硕士学位。为使我国热工课程教学接近或者达到发达国家的平均水平，关键在于这支教师队伍。就他们的学术发展而言，目前他们的学术趋向面临一个主要问题是：是否需要将热力学与传热学融为一体，固然可以有所侧重，但是不是不要截然分开?这方面，国外的一些情况值得我们借鉴：英国的Spalding是著名的计算传热学与流体力学专家，但是他也写过一本工程热力学的教科书：[19]Cengel以他的传热学教科书而知名，但他同时又是工程热力学教科书的作者，[10]而且Cengel的工程热力学与他的传热学同样著名；田长霖教授是熟知的传热学大家，但他与Lienhard合作写过一本统计热力学教科书。[20]将熵产分析用于传热问题的首创者Bejan也是集热力学与传热学于一身的知名学者。[21-22]我国的中青年热工课程教师值得对此进行思考。
参考文献：
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主办单位：中国化工学会
出版周期：半月
出版地址：北京市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：0438-1157
国内刊号：11-1946/TQ
邮发代号：2-370
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1923
期刊收录：
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CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
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中科双效期刊
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1.理论联系实际，持续激发学生学习热情
物理化学理论抽象、概念和公式较多，如果在授课时仅仅教会学生如何应用概念、公式去解题，学生往往就会感到既难学又没有实际应用价值，缺乏学习热情。因此，要提高学生学习物理化学课程的积极性，在教学中就应注重理论联系实际，将抽象的物理化学原理与专业知识结合起来，特别是通过一些精选的案例来说明学好物理化学对搞好专业学习的重要性，以此激发学生学习兴趣，提高学习热情。如：在热力学章节中，介绍可应用化学热力学的知识来确定药物合成的反应路线，判断和分析反应的可能性；在相平衡章节中，介绍可以利用熔点来检测药物的纯度，根据低共熔相图固体分散物知识来改良剂型提高药物在体内的吸收［3］；在电化学章节中，介绍可应用电化学知识进行药物的合成和杂质分析；在化学动力学章节中，介绍化学动力学在药物吸收、代谢等，以及药物的贮存期和稳定性等方面的广泛应用［4］；在表面现象章节中，介绍开发治疗胆结石的新药研究；在胶体章节中，介绍利用胶体粒子带电的特性通过电泳方法分离体液来判断人体的某个器官是否病变等。
2.结合专业特点，不断优化教学内容
物理化学作为药学等专业的重要基础课程，教学改革后课时少、内容多的矛盾尤为突出。因此，在授课中应根据教学对象的专业特点，按照“实用为先，够用为度”的原则对教学内容进行调整优化。一是避免教学内容重复。在教学实践中，在不影响知识系统性的前提下，将无机化学所讲授的与物理化学内容相同的部分略讲或不讲［5］。比如体系与环境、热和功、反应速率与反应级数等概念，以及盖斯定律的应用、平衡常数与浓度计算、能斯特方程等基本计算，两门课程中的这些内容基本相同，因此物理化学的讲授应注重以上知识的理论依据而不是理论的应用，这样既避免了重复教学又使学生明确了学习重点，用较少的课时取得了较好的教学效果。二是降低理论深度。如化学热力学部分，不讲述热力学函数之间的关系，强调热力学的研究方法，注重宏观的始终态的变化和理想化的研究；多组分体系的热力学函数关系突出实际应用中一加一不等于二的现象，并作为难点进行讲授；相平衡部分主要涉及单组分、双组分、三组分的液相体系研究；化学动力学部分教学重点在于简单级数反应的速率方程的特点及温度对反应速率常数的影响，复杂反应和催化反应则略讲，反应速率理论不做讲授；电化学部分主要集中在溶液理论及应用，对化学电池则可简单介绍热力学函数与电池电动势的关系。表面现象侧重于溶液体系，双电层理论不做要求；大分子溶液主要掌握一些概念和应用。三是革新实验内容。长期以来在物理化学实验教学中，大部分实验为注重训练学生实验操作和学习有关数据处理方法等方面能力的实验，与学生所学专业联系不紧密。因此，要真正增强物理化学教学总体效果，就必须对实验教学内容进行大胆的改革。一方面精简一些内容重复的实验。如在测定反应速率常数的实验中，可舍去乙酸乙酯皂化反应和H2O2分解反应速率常数的测定，而只做旋光法测定蔗糖转化反应速率常数实验［6］。另一方面改进一些与专业联系不紧密的实验。如利用凝固点降低法测量萘的分子量的实验可改为测量葡萄糖的分子量，同时还可利用该实验的原理和方法测定中药注射液的渗透压等［7］。
3.紧贴教学实际，不断改进教学方式方法
教学中，要结合不同的教学内容和学生实际，适当采用不同的教学方式或方法，增强教学效果、提高教学质量。一是深入剖析基本概念和重要定律。在课堂讲授中，应对一些重要的基本概念和定律首先给出准确的概念，然后由浅入深、由表及里逐步展开，使学生理解透彻。如在讲热力学能时，首先明确给出热力学能的定义，其次讲述热力学能的性质及决定热力学能的因素，最后总结出正确理解热力学能要注意的几个方面。二是将理论深、逻辑强、抽象难懂的内容直观化、实用化和简单化。根据学生的思维特点、接受能力及培养目标，将一些抽象、理论性逻辑性较强的概念、定律及公式用文字、图、表等方式形象、直观地表现出来，降低难度和深度，并加以对比、归纳和总结，将学生注意力转移到公式、定律的适用条件、应用范围及相关物理意义上来，帮助他们掌握理解、融会贯通、加深记忆。三是合理使用现代化教学手段增强教学效果。传统的板书加讲授的教学模式，对于物理化学课程中理论和公式的教学效果较好，学生能跟上讲课节奏，理解深入、记忆深刻。但是物理化学是一门实验性学科，有些教学内容用传统教学方式很难表达或无法生动直观地显示出来。而多媒体作为一种现代化的教学手段具有利用图、文、声、像来创设生动教学情境，使抽象的教学内容具体化清晰化的特点，能有效克服传统教学方式的弊端，大大增加课堂信息量，从而提高教学效率，增强教学效果。因此授课中要结合教学内容，合理运用多媒体和传统教学手段，充分利用其优点增强教学效果、提高教学质量。
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篇7
目前，高等教育已经从精英教育进入大众化教育时代，科学技术的飞速发展也使知识传授型的教学内容开始向知识拓展型的教学内容转变，学生对知识的渴望也不仅限于书本上考试的内容，他们对相关新技术、新知识的渴望也日趋强烈。目前普通化学的教学内容主要是讲授化学的基础知识，已经不能满足学生对知识深度的需求，也不能跟上化学学科的发展速度[1]。化学在人类生存质量和安全方面都发挥着重要作用，未来也会以新的思路、观念和方式发挥核心科学的作用。现代新技术是化学现代研究的重要方法，在教学内容中将现代检测新技术与化学有机结合起来，使学生不仅知其然，还能知其所以然，了解并掌握现代化学的先进理念和研究方法是非常重要的，这里我们将化学理论和应用中所用到的新技术与普通化学教学内容有机结合，构建出以基础知识为主以相关新技术为辅的多方位拓展式教学内容，其对于提高学生的知识范围、增强学生对新技术的运用和掌握能力、提高思维和素质的协调发展起着至关重要的作用。在绪论中增加了化学研究历史和新技术发展历史紧密相关的部分。化学学科的发展是新技术发展的必然结果，同时也推动了新技术的进一步发展。
一、在热力学部分增加了以下研究技术和方法
利用热力学第一定律来解决化学变化中的热效应问题；利用热力学第二定律来解决指定的化学及物理变化实现的可能性、方向及进行限度问题。热力学函数的测定需要根据不同反应的特点进行有针对性的测定，举例如下。
1.利用电化学性质与热力学之间的关系式比较常见的测定。电子迁移过程和反应的热力学参数常见方法：用精密电导率仪测定有机弱酸溶液在不同温度条件下的电导，通过图解法得出298K时弱酸的解离常数和焓，并计算出电离过程的吉布斯自由能和熵[2]；电化学方法获取纳米材料的热力学函数测得了纳米铜的标准摩尔生成焓、标准摩尔生成吉布斯自由能、标准摩尔熵[3]。
2.固体吸附过程可以利用固体在不同温度下物理吸附氮气的等温线，然后根据热力学原理近似计算出该物理吸附过程的微分吸附热和积分吸附热，然后根据相应的公式计算得到过程吸附体系的内能、焓、熵、吉布斯自由能等热力学函数随吸附量的变化率[4]。
二、在热力学部分增加了以下研究技术和方法
1.动力学中活化能（Ea）是动力学中一个重要的物理量，与反应速度直接相关，对实际的生产有重要的知道意义。可以采用热重分析（TGA）测定热解曲线，用多元线性回归法确定热分解机制函数，然后确定活化能[5]。
2.对于生物的酶催化反应可以利用循环催化流动分析方法（Recirculat ing Catalysis Flow Analysis，RCFA）测定完整动力学曲线，由此求解得到催化反应表观速率常数（k），最后利用阿仑尼乌斯公式求得该催化反应体系的活化能[6]。
3.实验室中一般化学反应活化能和反应速率的测定采用微型化实验进行测定。
三、在电化学部分增加了电化学的世界先进研究成果和这些成果将如何改变我们的生活
学生最为熟悉和感兴趣的电化学知识是与电池相关的内容，电化学工作站是常见的新型电池的研究开发的检测仪器。工作原理是工作电极、参比电极、电解质溶液形成串联电路，在参比电极与工作电极间连接一个电压表，就可以测量出工作电极上的电压变化，计算出工作电极上所带的电量，准确的算出物质的质量等参数[7]。
为了提高学生的学习兴趣给学生介绍了最新的电池方面的研究成果。例如，美国密苏里大学计算机工程系Jae Wan Kwon（权载完）教授的研究组研发出了体积小但电力强的“核电池”[8]。只有一个硬币大小的电池可以让手机不充电使用5000年。美国加州斯坦福大学华裔科学家崔屹参与的研究是将银和碳纳米材料制成的特殊墨水涂在纸张上，成功制成“纸电池”，普通纸张未来或许可以用做轻型电池[9]。
四、在核外电子排布部分增加了最先进的测试
夸克等微观粒子发现等研究方法和先进研究成果，让学生了解到微观世界的奇妙。原子核类似于人类的指纹，如果测量精度足够高，原子核可依据其质量被准确鉴别出来。这类研究归属于原子核物理的范畴。原子核的高精度质量测量最先用的是相对简单的电磁系统原子核质谱仪，近20年来，随着放射性核束装置和实验技术的发展，原子核质谱仪已发展到实验环和潘宁阱等复杂的离子光学系统，质量测量的精度也越来越高。以稳定原子核28Si为例，其质量测量的相对误差从1937年第一次测量的2.1×10-5减小至1995年的7.0×10-11，提高了近6个数量级。除了原子核中的电子、中子和质子还有很多微观粒子，还包括夸克、k-介子等许多基本粒子的更基本的组成单元，可以称为基本粒子动物园。夸克是由美国伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron，质子和反质子对撞机）发现的，Tevatron还测定了W玻色子的精确质量、发现了陶中微子以及著名的顶夸克。Tevatron有6.28公里长的圆形加速器轨道由1000多个超导磁铁构成，它们将质子和反质子按相反方向在真空管中加速到光速的99.99999954%，然后在两个5000吨的探测器中对撞，这种接近光速的高能量碰撞产生了大量全新的亚原子粒子，然后很快衰变[10]。
综上所述，在普通化学教学中将新技术、新方法以及先进的研究成果有机的与教学内容相结合，使学生了解新技术对化学发展起到的重要作用。能够扩展学生的知识范围、提高学生对化学学科的兴趣、使学生对化学学科的宽度和广度认识有了提升，全面提高教学质量。
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篇8
物理化学是一门通过研究物质的物理现象和化学现象来探求化学基本规律的学科，是化工、轻化、高分子、环境工程等专业的一门重要的基础理论课，其概念性、理论性、系统性、逻辑性很强，涉及的公式多，应用条件严格，比较抽象，初学者往往觉得困难较大。而且，近年来随着高校扩招，使得物理化学这门基础课往往采用大班教学，课堂通常要容纳百人左右，增加了教师调动课堂气氛的难度;此外扩招后的学生对知识的吸收能力和理解水平以及学习积极性有所降低。如何在科技迅速发展，交叉渗透口益突出的当今，克服这些困难，提高物理化学教学质量，是每一个物化教师应当不断研究的课题。
2.目前物理化学教学中存在的一些问题
课堂教学中发现，由于物理化学理论性强、内容抽象、公式、定律多，很多同学对物理化学畏惧、缺乏信心，普遍感到困难。由于学习卜的困难，有的同学甚至产生了放弃的心理，以致上课根本就不听;由于缺乏对所学专业的总体把握，部分学生没有认识到物理化学与专业课程之间的关系，对学习物理化学的必要性理解不够，抱着应付考试的心态学习物理化学，很多学生寄希望于考试前的突击学习;还有的学生存在盲目自信、眼高手低的缺点，上课虽然能听懂，但是不复习而且不独立完成作业。众所周知，物理化学的公式庞杂众多，必须经过自己的反复推导练习才能熟练应用。由于其理论性强，公式多且较为繁杂，教师、学生都花了不少精力，但往往都没有达到预期的效果，教学效率不高，所以如何提高物理化学的教学效率具有现实的意义。
2.1把物理化学的特点转变为课堂教学的优势
物理化学的特点是条理清晰、推理严密，要把物理化学的特点转变为课堂教学的优势。要学好物理化学必须把握物理化学思维的特点，在课堂上经常把物理化学的教材的主线拎出来，并且反复强调，使学生不再感觉到内容散乱，找不到规律。物理化学的难点在土册热力学基本定律部分，涉及的计算、证明推理不仅内容繁多，而且难度高，很容易打击初学者的学习成就感和积极性，这时候就特别需要教师在课堂上回顾复习知识点的来龙去脉，强化学生对所学内容的感知。在每一章内，要强调本章的基本思路，而开始新的一章时章时，要强调这一册书内容的安排规律，此外还要注重每一章节的复习以及学期末复习。比如第一册内容的安排，在学习热力学第一定律之前就应当讲清楚:首先学习热力学基本定律，然后将这些基本规律用于稍复杂的多组分体系、化学反应以及相平衡体系。这种反复强调可以让学生站在更高的角度来看这门课程，把握课程总体，理清课程思路，有利于学生更好地掌握细节，细节之间增加了有机的联系，自然容易学好记牢。而且，在教学中不能仅仅局限于物理化学问题本身，还要经常让学生从物理化学具体的知识点中走出来，审视物理化学解决问题的方法。例如，热力学定律学完之后首先处理的是单组分体系，然后再处理多组分体系，在第二册又在此基础上处理有电能以及表面能参与的体系，这样一种循序的、由简单到复杂的处理问题的方法在解决其他问题时也是很重要的。因此，学习物理化学也应当是一个方法论的学习过程。
2.2注意课堂教学的趣味性
知识的趣味性是重要的学习推动力，把理论性强、抽象而枯燥的内容变得生动有趣，是提高课堂教学的有效手段。如果一直按课本的内容平铺直叙，只能使学生感到乏味和厌倦。课堂提问是重要的方法，与实际生活相联系的问题，多提问，可以调动学生的思维的积极性。例如，在学习“表面现象”这一节时，可以创设生活中常见有容易被忽略的实例。(1 )荷叶上的露珠为什么呈球形而不是长方体或是正方体呢?学生在思考这个问题时，我们可以趁机引入表面和表面张力的概念。(2)将干毛巾的一端浸在水盆中时，过一会儿毛巾的另一端也会潮湿，这是为什么?新买的毛巾很容易浸湿，但是经长时间使用的毛巾就变得不容易浸湿，这又是为什么?通过这些问题又可以让学生带着兴趣进人毛细现象的学习。当学生学完知识理论并且会运用所学的来分析现象找答案时，教师将成就感。
2.3注意理论知识和实际的结合
(1 )比如水蒸气蒸馏。在学组气液相图后，知道了两种完全不互溶液体形成的液态混合物的沸点低于任一组分的沸点，这一点对于分离提纯一些不溶于水的有机物非常有用，采用水蒸气蒸馏的方法，不仅可以降低提纯温度节约能量，而且在低温下还有利于保护易分解的有机物。此外，这样还把物理化学的知识和前面有机化学里的内容联系了起来，使学生的脑海里的知识点不再孤立。(2)通过热力学第二定律中的热机内容的学习，学生了解了热机的工作原理，并且学会了计算热机效率，这时可以将这些与实际生活中的空调联系起来，将空调供暖与取暖器相比较，这时学生们会发现通过热机供暖的优越性，加深对热机的理解，将有利于热力学第二定律其他章节的学习。(3)在学习完电化学中电池对外做功计算后，可以将同样的物质经过化学反应后放热并将放出的热设计成热机对外做功，并将之与用同样的物质设计成电池对外做功相比较，又会发现通过电池对外作功的优越性，这不仅加深了对电化学的理解，而且加深了对热力学第二定律的理解。通过理论与实践的结合，让学生感受到物理化学其实并不难，而且挺有用，消除学生的物理化学无用论思想。
2.4适当采用多媒体教学
多媒体教学具有直观性、生动性和简洁性，适当采用多媒体教学，也可以一定程度上调动学生在课堂土的积极性。信息技术的发展和普及为教学提供了很大的便利，目前很多学校相当一部分教室都配备了电脑、实物投影仪。通过制作教学幻灯片可以省却教师在课堂上的板书时间，而且讲解图表时也更加方便，富余的时间还可以补充一些本学科的前沿知识。但是，也应当对多媒体教学的负面一影响有充分的认识。在课堂教学中发’现，在使用多媒体教学后，学生记笔记的积极性明显下降，其实记课堂笔记也是一个主动学习的过程，而在使用多媒体教学时，学生完全处于被动接受知识.的状态，课堂教学的内容在学生的脑海里成了匆匆过客。因此，多媒体教学的应用要适可而止，以免适得其反。
2.5注重考核方法的与时俱进
考核是教学的重要环节，如何设计适合的考核方法，提高学生的学习动力和积极性，对学生的学习效果和综合素一质的提高给出合理的评价，也是广大物一化教师应当思考的问题。我们主要采取了开卷与闭卷、平时成绩和考试成绩相。结合的方式。
开卷与闭卷相结合。每一门课程开一始时，很多学生最关注的不是这门课要学什么，而是这门课怎么考试、考什么。让考试成为学生学习的指挥棒，弊端是显而易见的，学习的过程和结果是可悲的。考试应当是一种促进学生学习的手段，而不应当成为学生临时抱佛脚的帮凶。传统的终结式考试模式，即在一学期末进行一次考核，虽然易于组织便于操作，但显然不利于教学目标的实现。我们参照了其他一些院校的做法，确定了开卷和闭卷相结合的考核模式。开卷的形式是开展十分钟不定期课堂练习.内容以讲解过的知识点为主，可以翻看书和笔记，但不准相互交流讨论，一这样可以督促学生平时的学习消化。而且从学生平时掌握知识的情况，教师还可以对教学作及时的反馈。期末采取闭卷考试，测试学生是否牢固掌握物理化学基本概念和原理方面的知识。在考试.的命题方面，要设计既能反映学生知识水平又能检测学生能力素质的考题。由于有平时学习，在期末考试时学生就不至于慌乱无措。
篇9
【中图分类号】G642
物理化学作为环境、化学、生物、化工、材料等专业本科生基础课，由于概念多、公式多，学生在学习过程中普遍感到抽象、难学和难理解，厌学倾向比较明显。然而，物理化学中的理论、方法和观念在培养学生创新能力方面又具备其他课程无法替代的作用。高等物理化学作为物理化学的延伸，是研究生阶段的核心基础课之一。因此，根据具体研究方向，改革教学方法，避免满堂灌输式的传统教学模式，重新点燃学生的学习兴趣，对培养研究生科研创新能力至关重要，是未来高等物理化学课程改革的必然出路。
一、我校环境专业研究方向与物理化学的联系
我校环境科学与工程专业具有一级学科硕士学位授予权，经过多年发展，已形成5个特色的学科方向：（1）废水处理与优化控制技术；（2）废物处置与资源化技术；（3）大气污染控制理论与技术；（4）环境功能材料与友好过程技术；（5）环境生物与生态修复技术。这些特色研究方向与物理化学有着非常紧密的联系，物理化学的理论和方法一直被运用到环境保护中。例如：（1）水处理过程、污泥消化处理、热污染控制等许多方面都涉及热化学模拟计算；（2）作为常用的高级氧化技术之一-电化学方法涉及电化学基本原理、内电解、电凝聚、电解氧化/还原及电渗析等物理化学知识；（3）环境功能催化材料涉及热力学和动力学等多方面的知识；（4）吸附剂、表面活性剂等污染修复方法与物理化学中胶体与界面部分密不可分。因此，针对研究生高等物理化学课程改革，必须考虑如何体现课程特色、以何种模式实现研究生科研活动中基础知识再认识以及创新性思维能力的提高等关键问题。
二、环境专业高等物理化学教学设计改革
1.教学内容改革
高等物理化学包括化学热力学、化学动力学、统计热力学、结构化学四大块内容。作为环境专业研究生的基础课程，各部分教学内容应注重突出特色，有所取舍，不能简单重复本科阶段的物理化学教学。针对本校环境专业研究方向和有限的课堂学时，笔者认为，选取化学变化的方向和限度问题、化学反应的速率和机理问题、催化剂结构与性能关系、电化学基本原理和应用作为核心教学内容，有利于吸引学生结合自己的研究课题进行深入的自主学习。
在理论教学的基础上，适当增加1-2个具体实验，通过实践教学深入、形象地理解环境净化技术应用时的物理化学基础知识。
2.教学方法改革
大量的实践表明： 传统的以教师讲授为主的教学模式已经不能适应时代的发展，尤其是抽象性、概括性、逻辑性很强的高等物理化学教学。要培养研究生的科研创新能力，必须激发学生的自主学习热情。因此，改革教学方式，以学生为主体，教师讲授为辅，进行前沿引导式教学为现代高等物理化学教学改革点亮希望。
具体课程安排过程中，可按教师讲授（提出问题）学生互动（解决问题）教师总结点评（基本原理强化）顺序展开教学。改变传统的系统讲授为重点讲授，教师根据学科特色，有侧重地突出物理化学专业知识点的应用和前沿，设置课程研讨课题；学生根据兴趣自主选者课题，课后进行文献调研和归纳，并在课堂上展示学习心得；最后，教师根据学生自主学习情况进行点评，并提出改进的建议。此外，在课堂教学上，应经常以启发式的语言、事例来激励学生，引导他们积极主动进行学习。
三、物理化学教学改革初探
根据教学设计，笔者初步尝试了教师主讲3个专题，提供学生6个课题，辅助1个实验的教学模式。教师主讲内容包括：（1）物理化学在光催化环境净化技术中的应用；（2）物理化学在环境电化学技术中的应用；（3）物理化学中的胶体界面化学。提供学生选择自主学习的课题如下：（1）物理化学与环境保护；（2）光催化体系的反应机制及应用时的瓶颈突破；（3）电化学处理有毒难降解有机污染物的电子转移机理；（4）污水处理中的热力学过程；（5）吸附法处理环境污染物的动力学过程；（6）胶体表面/界面调控与环境污染治理。要求学生学会利用学校图书馆的Web of Science和google学术搜索工具，查阅自选课题相关的文献，主要是主流TOP期刊的论文，在大量阅读文献的基础上，写出能体现课题核心内容和研究亮点的综述。经过这两阶段的学习，学生已基本具备文献查新、科学问题提炼的能力。最后笔者选取环境污染治理的新技术-太阳能光催化处理印染废水为辅助实践教学，通过改变反应条件，观察废水色度变化，既能给学生直观感受，又能通过后续的数据处理，让学生体会到物理化学基本理论的美妙。
本实验中主要涉及物理化学中的阿伦尼乌斯公式：
（1）
其中k为反应的速率常数，可以通过不同时间染料降解动力学进行拟合得到；A为反应的频率因子，对于确定的化学反应为一常数；Ea为反应活化能；R为理想气体常量；T为热力学温度。通过对公式（1）进行对数转换，可以得到公式（2）：
（2）
通过测定不同温度下染料降解的速率常数k ，可以利用公式（2）计算得到反应的活化能Ea；进一步通过有无催化剂的对比实验，可以计算出染料降解反应中添加催化剂对Ea的影响，预测反应过渡态的相关信息，直观而深刻地体会到物理化学基础知识点在实际环保技术中的应用，使理论与实践完美结合，激发学生在各自研究领域重新学习物理化学的兴趣。
四、结束语
总之，物理化学是一门基础理论性和实践性都很强的学科，加强物理化学知识的学习，特别是通过课程解析物理化学基本规律在现代环境保护研究前沿热点的作用，将会有助于我校环境专业研究生从分子本质上加深对本专业和研究方向的认识，促进研究生更快地实现从知识学习到科学研究的角色转变。
参考文献：
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篇10
一、氯甲烷水解
在常压、温度为573～620K 的操作条件下，氯甲烷在碱性溶液中可以水解制取甲醇。
氯甲烷的转化率为98%，甲醇得率为67%。该工艺虽然简单，同时又是令人所期望的常压操作，甲醇产率和氯甲醇的转化率也比较理想，但是迄今为止此法尚未得到工业应用。其原因是氯甲烷是以氯化钙的形式损失，成本太高。尽管如此，这还是实验室制备甲醇的一种常用方法。
二、甲烷氧化工艺
甲烷可以直接氧化合成甲醇， 在热力学上是可行的， 分为催化选择性氧化和非催化氧化两种方法。
1.催化氧化法
目前催化氧化的工艺技术是基于天然气蒸汽转化即部分氧化成甲醇后再部分氧化成合成气。但是，由于活化甲烷分子比较困难，所以氧化甲烷的条件很苛刻。鉴于甲烷氧化为甲醇后又极容易再度氧化成二氧化碳和氢气，所以从热力学上考虑，目的产物甲醇是不稳定的。因此，选择甲烷氧化制甲醇的催化剂必须具备高的选择性，同时又具有较好的稳定性[1]。一般的催化剂随温度的升高，甲烷的转化率升高，而甲醇的选择性则降低。典型的较理想的催化剂的转化率只有5%，甲醇的选择性只有50%，其他产物主要是甲醛、甲酸，约占40%。
2.间接氧化法
甲烷无催化剂直接选择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，他们在1992年分别各自研究了没有催化剂存在条件下，如何控制甲烷部分氧化成甲醇。他们认为，该法能够大量降低投资和能耗，但控制条件较为苛刻。原料中不宜存在某些烃类，否则将降低转化率，氧含量宜在8%左右，过小则转化率降低，过大则氧化过度，操作条件在644～755K，9Mpa，宜采用小直径反应器。所得甲醇收率（摩尔分数）为217%， Hunter 等人在温度为723K、6MPa的压力操作条件下，所得收率（摩尔分数），可达8～9%。据报道经济可行的转化率（摩尔分数）为10～15%。
三、生物催化氧化法
除了甲烷选择控制催化制取甲醇外，国内中科院兰化所尉迟力[8]等对甲烷生物催化氧化制甲醇进行了研究，据报道加氧酶的活性可为1kg酶1h生产2.02kg甲醇。他认为，由于大部分甲醇被甲醇脱氢酶继续氧化、代谢掉，寻找更好的抑制甲醇继续氧化的抑制剂，提高酶稳定性减少，酶活性的损失是甲烷生物催化氧化制甲醇的关键。
四、煤、气、油综合利用工艺
采用煤气化、天然气转化、渣油裂解（DCC）装置的副产气（CH4和H2 ）作为生产甲醇的原料，经成分配比后生产甲醇，实现了原料的优势互补，多种能源的综合利用，达到了循环经济的目的。
五、CO2 加氢工艺
近年来，CO2 加氢制取甲醇引起了各国科学家的兴趣，成为甲醇合成的一个新的研究方向。环境问题日益引起人们的警惕，据悉全世界大约每年向大气排放35亿t的CO2 （以每年消耗10亿t标准煤计算），CO2 引起的温室效应，已经影响到全世界的气候变化。欧共体、 日本等1990年在135个国家和地区参加的会议上承诺控制和减CO2 的排放量，美国答应每年提供7500万美元用于CO2 综合开发和利用[9]。用CO2 制取甲醇便成为甲醇合成的新课题，尤其是近年来连续发现CO2 大气田以及CO2 矿源，把这一课题又赋予新的意义。
由于二氧化碳的惰性以及热力学上的不利因素，使用二氧化碳难以活化还原，一般催化剂都存在甲醇选择性不高、 CO2 转化率低的不足。开发新型催化剂， 提高催化剂的活性和甲醇选择性是目前O2 加氢制甲醇的研究重点。
不少学者对这一课题进行了大量的实验研究，取得了可喜的成就，到目前为止已经有了中试装置。例如， 80年代初，HolderTopsUe公司利用炼油厂的废气中的H2 和CO2 直接合成甲醇，开发了一种CO2 加氢催化剂，仍以Cu-Zn为主，已完成中试。实验结果表明，在280e、120MPa的操作条件下，将H2 、CO2 通过催化剂绝热反应即可得到燃料用的或有机合成用的甲醇，还有醚、酯等少量副产物。东京瓦斯公司古田博贵等人用 CO2 和H2 在Cu-Zn-Al催化剂上合成甲醇，压力3～9Mpa，温度250～300e，空速5200～14000h-1，原料气中H2与CO2 的摩尔比为3～416，CO2 转化率为20%。
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火法炼锌包括焙烧、还原蒸馏和精炼三个主要过程,约占世界锌总产量的10%。
湿法炼锌包括传统的湿法炼锌和全湿法炼锌两类。
传统的湿法炼锌实际上是火法与湿法的联合流程,包括焙烧、浸出、净化、电积和熔铸五个主要过程。全湿法炼锌是在硫化锌精矿直接加压浸出的技术基础上形成的。湿法炼锌约占世界锌总产量的90%。
铁闪锌矿[(1-n)Zn.nFe]S通过机械磨矿和选矿的方法很难使铁分离,导致产出的锌精矿中含锌量低(≤45%)、含铁量高(≥10%),有些含铁量甚至高达了18%左右,这就是所谓的高铁闪锌矿精矿。
我国是世界上最大的锌生产国,高铁闪锌矿资源分布非常广泛,矿藏量巨大,约占我国已探明可利用锌资源的20%。
现行的湿法炼锌都未能很好地解决高铁闪锌矿精矿在冶炼过程中存在的问题。
1高铁闪锌矿精矿冶炼面临的窘境
1.1传统湿法
在锌精矿的沸腾焙烧过程中,不可避免地生成铁酸锌(ZnOFeO),它是一种难溶于稀硫酸的铁氧体。
ZnO+FeO==ZnOFeO(1-1)
在一般酸浸条件下,ZnOFeO不溶解而留在中性浸出残渣中,使渣含锌在20%左右。生产中采用热酸浸出(温度90-95℃,始酸大于150g/L,终酸40-60g/L),使渣中的锌溶解:
ZnOFeO+4HSO=ZnSO+Fe(SO)+4HO(1-2)
同时渣中残留的硫化锌使三价铁还原到2价而溶解:
ZnS+Fe(SO)=ZnSO+2FeSO+S(1-3)
热酸浸出后金属浸出率显着提高,铅、银富集于渣中,但大量铁也转入溶液,溶液含铁量达到20mg/L~40mg/L。若采用常规的中和水解除铁,因为形成体积庞大的Fe(OH)胶体无法浓缩和过滤。为从高铁溶液中沉淀除铁,需要采用高成本的黄钾铁矾[KFe(SO)(OH)]
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收稿日期:2010年月日;接受日期:
法、针铁矿(FeOOH)法和赤铁矿(FeO)法等新的除铁方法。
1.2完全湿法
在加压浸出条件下,锌精矿中的硫化锌与硫酸发生下述反应:
2ZnS+2HSO+O=2ZnSO+2HO+2S(1-4)
当有铁溶解时将发生下列反应:
ZnS+Fe(SO)=ZnSO+2FeSO+S(1-5)
4FeSO+2HSO+O=2Fe(SO)+2HO(1-6)
在加压浸出锌精矿石、铁闪锌矿、磁黄铁矿中的铁都有可能溶出:
4FeS+15O+2HO=2Fe(SO)+2HSO(1-7)
4FeS+15O+8HO=2FeO+8HSO(1-8)
在高温、低酸溶液中的铁可以发生如下反应:
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,高酸浸取尽管能减少锌因为铁酸锌的生成造成锌的流失,但高酸浸取之后,浸取液中含有的大量的铁离子,为以后的净化工艺带来困难;高氧酸浸已经成为湿法炼锌的主流,很多研究工作卓有成效。但是,高氧酸浸并不能阻止铁等杂质随着锌一起进入到浸取液之中,高的铁含量必将对以后的除铁工艺带来巨大了困难。
目前,对于高铁矿还没有一种好的办法既能除去铁而又不至于造成大的经济损失,即使是含铁较低的锌矿,浸取液的净化仍然是人们长期研究所要解决的问题。
2氨浸方法的提出与理论研究
2.1高铁闪锌矿的氨浸工艺的提出
文献表明,火法炼锌终将逐渐退出历史舞台,生物浸取离进入工业化应用还有非常远的路要走,而现行的湿法炼锌并不能同时实现锌的高浸出率和铁的低浸出率。为解决这一矛盾,本课题组一直致力于铁、铜、锌、钴、镍、镉等金属的分离研究,根据已有文献和我们的研究成果,提出了高铁闪锌矿精矿的催化高氧氨浸工艺。其基本原理设想为:
高压反应釜中,加入矿粉、催化剂、氨水、碳铵等,充入高压氧气,利用凝固末端电磁搅拌器进行搅拌,计时。浸取液利用原子吸收分光光度计分析。反应如下:
2MS+O+8NH+2HO=2[M(NH)]+2S+4OH(2-1)
其中,M=Zn、Cu(Co、Ni、Cd生成六配位离子,Co要氧化为Co)
4FeS+3O+4CO+6HO=4Fe(OH)CO+8S+8OH(2-2)
2.2热力学计算
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二、材料物理化学在材料物理专业中的作用和地位
材料物理化学是贵州大学材料物理专业本科生的学位必修课程，这门课程是从物理化学的角度研究材料科学与工程的基础理论问题，从基础的具有共性的原理及方法来论述各种材料的组成与结构、制备与合成、性能与应用的相互关系。该门课程的教学目的在于提高学生的专业知识水平，培养学生科学的思维方式和独立的创新能力，以及综合运用基础理论来解决实际问题的能力。材料物理化学是材料物理专业非常重要的专业基础课，它以高等数学、大学化学、大学物理等理论基础课程为基础。高等数学是学习物理化学的重要手段和工具，物理化学只有通过数学语言的表达才能成其为真正的科学。认识到大学物理和物理化学中热力学内容的衔接，了解大学物理中原子结构知识的介绍，协调好与大学化学中原子结构部分内容的关系，突出重点，避免重复，讲清难点，是材料物理化学教学中值得注意和认真对待的问题[4]。材料物理化学同时也是材料物理专业的后续专业课程（材料腐蚀与防护等）的基础课程。材料腐蚀与防护课程中的金属与合金的高温氧化的热力学部分，就要运用材料物理化学中诸多热力学基本知识，如G-T平衡图和克拉佩龙方程等。材料物理化学如同一座桥梁，将材料物理专业的前期基础课与后续专业课联接起来，以完善专业知识的系统与连贯性。同时，材料物理化学作为一门重要的专业基础课，是许多高等院校研究生入学考试的必考科目。材料物理化学与材料科学与工程各专业相关的生产生活联系紧密。新材料的设计、合成以及产物性能的提高与可控自由基聚合反应中所用的新型催化剂和引发剂息息相关。在材料表面改性过程中，界面效应是起理论指导作用的。电化学在材料领域应用广泛，例如：熔盐电解法制取金属铝、多种稀土金属及其合金，金属在使用过程中的腐蚀及防护等，新型的化学传感器、燃料电池、锂离子电池的研究和生成都要用到电化学理论。而对于发展迅速的前沿材料纳米材料，如何制备具有规定尺寸和组成的纳米颗粒、测量其性质、了解它们的特殊性质与颗粒尺寸的关系等很大程度上依赖于科学测量手段和化学化工技术，这也离不开材料物理化学基本原理的指导。
三、材料物理化学的教学难点
根据在以往的教学过程中的观察与经验，材料物理化学是一门老师难教、学生难学的课程。这首先是因为材料物理化学课程与数学物理联系密切、抽象概念多、数理推导多、公式繁杂等特点。许多学生见到大段连篇的公式推导就会产生畏难心理，丧失学好该课程的信心，然后就逐渐厌学甚至放弃学习。再加上该门课程对于材料物理专业的学生来说，课时相对较少，要在有限的学时中掌握较多的内容，使得以往的教学出现点到为止，认识学习不够深入的现象[5]。该门课程的授课对象是大学二年级上学期的学生，处于这个时期的学生学习兴趣和学习热情处于整个大学的全盛时期，求知欲强，精力充沛。面对这样的学生，如何有效地利用他们的求知欲，激发起学习该课程的兴趣，并针对他们的缺点，制定行之有效的方法及对策，使其通过该门课程的学习，培养起运用物理化学的方法进行科学研究和解决实际问题的能力，是值得我们教学工作者值得思考并认真对待的问题。
四、材料物理化学的教学改革
针对上述问题，为提高材料物理化学的教学质量，激发学生的学习兴趣，培养学生能力，我们对材料物理化学课程教学进行了多方面的改革。
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近些年来，石油、天然气、动力、化工、水利、航天、环境保护等工业的迅速发展促进了气液两相流的研究和应用。在实际应用中可以将凝析天然气简化的看作气相为甲烷，液相为水的气液两相流[3]。为了在实现天然气井口对凝析天然气气、液两相流量的实时在线测量，需要对其进行相应研究。再如，火力发电厂中锅炉的汽水分离、蒸发管中的汽水混合物的流动都属于气液两相流问题[1]。
2.气液两相流的流动型式
气液两相流中气液两相的分界面多变，其流动结构受各相的物理特性、各相流量、压力、受热、管道布置等影响。在不同的流型下，两相流的流体力学特性不同，因此为了研究两相流的运动规律，必须研究其运动型式。
在水平管道中，气液两相流常见流动形态如图1所示。
图1 水平管道中气液两相流流型
水平管中，气泡流的特征为液相中带有散布的细小气泡，由于受到重力的影响，气泡多位于管子上部。随着泡状流中的气相流量的增加，气泡聚结成为气塞，气塞一般较长，且多沿管子上部流动。当气、液两相流速均较小，会受到重力分离效应产生分层流，而当分层流动中气相速度较大时，气液的交界面将产生扰动波形成波状流。若气相速度再增大，则气液分界面由于剧烈波动将有一部分与管道顶部接触，分隔气相成为气弹，从而形成弹状流，大气弹则将在管道上部高速运动。
在竖直管道中，气液两相流多分为泡状流、弹状流、乳沫状流、丝状环状流和环状流等，如图2所示。
图2 竖直管道中气液两相流流型
3.气液两相流参数检测的基本手段
（1）采用传统单相仪表进行气液两相流测量多为获得工业应用中气液两相的在线实时流量信息，与实际应用紧密相关。传统单相仪表测量有两种方法，一种是基于单相流的研究方法，即从物理概念出发或从微分方程中得到描述湿气流动的一些无因次参数，然后根据实验数据得到经验关系式，再与传统的单相流仪表相结合应用到多相流参数检测中。另一种是利用多个传统单相流仪表组合，进行多参数组合测量以确定两相流量，如文丘里管与内锥流量计组合[6]、文丘里管与涡轮流量计组合、密度计与涡轮流量计组合等[2]。
（2）近代新技术手段包括过程层析成像技术、高速摄影技术、数字图像处理技术、示踪技术、激光多普勒技术等，采用这些技术可以获得两相流流场中流型、流速、容积含气率等特征参数。例如过程层析成像技术能够在线直观的得到流体截面上的可视化信息，激光多普勒技术能够得到离散相粒子的速度、尺寸、流量等信息。
（3）数值计算方法。数值模拟是利用计算机进行质量、动量、能量守恒方程的求解，以得到流场区域内两相流动信息。数值模拟比实流试验更省人力物力财力、不用考虑重复性问题，且能够在更理想化的实验工况下进行试验。近些年来数值计算方法作为一种辅助手段已逐渐成为和实流试验同样重要的方法[7]。然而，气液两相流进行数值仿真时需要先确定两相间的相互作用、两相分界面、两相在流场中的分布以及合适的数值计算方法，并且描述两相流的变量多、基本方程多，守恒方程、分界面表面张力计算困难，因此数值模拟仍然存在一些困难。
4.气液两相流计算的基本方法
现有的气液两相流计算方法可以分为经验方法、工程实用模型分析法和数学解析模型分析法。
（1）经验方法是工程中常用方法，其根据工业现场试验或实验室实验所得数据拟合建立合适的计算公式，然后在实际应用中将已知变量带入公式中得到预测结果。
（2）工程实用模型分析法先提出流动体系的简化假设然后得到简化模型。常用的简化模型将管内三维流动简化为一维流动，即流体仅沿流向进行变化，在此假设基础上主要有均相流模型、分相流模型以及滑移流动模型。
均相流模型是最简单的简化模型，其将气、液两相看做均匀混合物，流动参数取两相相应参数的平均值，将两相流视为遵守单相流体基本方程的均匀介质。在此模型中，假定气液两相流速相等，并且两相温度相同并都处于饱和状态。由于假定此模型气液两相速度相等，而在实际中只有在高气量低液量时或者高液量低气量时两相速度才相近，因此均相流模型仅适用于泡状流或者雾状流。
分相流模型在假定两相之间热力学平衡和两相速度各为常量的基础上，将气、液两相作单相处理并加入相间作用，然后将各相的方程合并所得。此模型适用于分层流和环状流。
滑移流动模型假定两相热力学平衡，建立在两相平均速度场的基础上。着重考虑了相间的相对运动，适用于弹状流等流型[5]。
（3）分析方法对两相和界面条件建立局部瞬时方程，用平均方法得到瞬时空间平均方程、局部时间平均方程和时间空间平均方程，再把平均方程简化到要求的程度[1]。分析方法较严密但是求解麻烦，需借助计算机技术，且还需知道一些相关关系才能使平均方程封闭。
5.总结
本文从气液两相流的应用背景、流动型式入手，概要性的介绍了气液两相流参数检测的基本手段和两相流计算的方法。气液两相流中，由于两相界面的运动、变形、破碎、再融合以及两相界面上的热、质传输使流动结构异常复杂，因此也造成了气液两相流检测困难，要实现气液两相流的准确计量仍然有很大的研究空间。
参考文献：
[1] 车德福，多相流及其应用，西安：西安交通大学出版社，2007.
[2]周云龙，气液两相流型智能识别理论及方法，北京：科学出版社，2007.
[3]徐英，段玉晗，赵轶，文丘里高压湿气测量虚高特性数值模拟，天津大学学报，2012， 45（3），221～227.
[4] 阎昌琪，气液两相流（第二版），哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.
