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化學熱力學的應用范文1
關鍵詞：化工熱力學；CDIO；大工程教育；教學改革；方案
中圖分類號：G712文獻標識碼：A文章編號：1672-5727（2012）06-0159-02
化工熱力學作為化學工程的基礎性學科，在研究化學工程以及解決化工生產實際問題中都起著非常重要的作用。同時，它也是化學工程與工藝專業本科生及研究生必修的重點專業課程之一。然而，由于課程中的概念抽象難懂，公式數量多且推導復雜，歷屆本科學生都感到難以理解和掌握。雖然嘗試過各種改革，探索過新的教學方法，但收效甚微，學生掌握到的理論常常疲于應付考試，沒有真正解決實際問題的能力，更不用說會作“工程”了。為了迎合“大工程教育”的背景，在2009年，我校開始嘗試將CDIO的教育理念應用于化工熱力學課程教學中，取得了一定的成效。
CDIO教育理念是近年來國際工程教育改革的最新成果，這種全新的教育模式將構思（Conceiving）、設計（Designing）、實現（Implementing）與運作（Operating）結合在一起，形成一個連貫而完整的流程。學生從參加產品研發到產品運行的生命周期當中，可以親身體驗到“以產品為導向”CDIO教學模式所帶來的不同于傳統教學模式的參與感。這種以學生為主體，實現了“做中學”的全新教育理念，對于提高學生能力，激發學習興趣，促進化工熱力學課程建設等各個方面都具有非常重要的意義。
化工熱力學教學現狀分析
教學內容與實際脫節隨著近年來工業體系的不斷進步和化工行業的快速發展，化工熱力學作為一門體系較為完善的課程，其教學內容與實際的化工技術相比已顯得比較滯后。這種滯后不但使教學與工程脫節，并且由于課程模式長期固定，在某種意義上限制了教師的思維方式，進而對學生的創新及發散思維也造成影響。同時，也造成了大學與社會之間的脫離。這也是為什么學生掌握了知識，卻不能在畢業以后派上用場的原因。
忽略了學生作為主體的角色在從事化工熱力學教學的十余年中，如何解決教與學之間存在的矛盾，也是一直困擾著筆者的一個問題。為何在經歷了數次改革之后，我們的教學卻并沒有發生實質的改變？其原因在于忽略了“在教育過程中，學生才是主體”的這一事實。一直以來，無論運用何種創新式的教學方法，總是離不開以教師作為主體的講授，總是去研究如何將知識更快速準確的灌輸給作為客體的學生，如何將枯燥的理論講授變得生動有趣，讓學生在愉快的氛圍中掌握知識，在一次一次的教學改革中，教師歷練成了“優秀的演員”，而學生充其量也就是一個“文明的觀眾”并沒有成為一名“優秀的演員”。在這種教育方式下，培養出來的學生，實際上是被剝奪了自主學習的機會，其思維模式也會變得僵化，重理論，輕實踐。在具體問題的處理上往往拘泥于唯一的“正確方案”，按照教師或書本上所講述的步驟給出解答，這就達到了我們所說的“掌握”的基本要求。學生并不會從一個實際的工程問題中，發現相關的熱力學問題和定義熱力學問題。比如，在講授流體的 “PVT”關系時，我們會定義好兩個變量（溫度T，壓力P）讓學生去求體積（V），學生都可以很好的根據熱力學方程解出體積，但如果讓學生去求解某工藝流程中輸送流體的管徑時（生產能力即流體的質量流量已知），學生就常常束手無措。他們不會根據輸送流體的工藝條件（即溫度、壓力）用學過的熱力學知識來求出流體的摩爾體積，將其換算成流體的密度后，再根據流體的質量流量解出體積流量結合管路中的允許的流體流速去求管徑?？墒侨绻麑⑦@種求管徑的問題放在化工原理的課程中，學生又可以很好的解決。因為，在化工原理的課程中，流體的密度常常都是作為已知量出現在例題中的，而在實際的工程設計和計算中，這些問題都是需要靠學生自己去發現、定義并解決的。學生這種今后最需要能力，在我們多年的教學中卻被忽略了。
總之，無論是在教學內容上，還是在教學模式上，現有的化工熱力學教學當中都存在著很多問題，已經逐漸無法滿足社會對高等人才培養的需要。而CDIO的教學理念則為我們解決這一問題提供了一項新的可能性。通過將熱力學課程與CDIO教學理念相結合，讓學生在“做中學”的過程中更好地掌握知識，提高能力，通過一個個真實的工程案例，去研究問題、發現問題。這樣，學生才能具有獲取相關知識去解決問題的動力。在此過程中，重要的不是解決了一個具體的問題并由此掌握了相關的知識，而是在于學會如何發現問題、定義問題、分析問題并獲取相應的知識解決問題，總結新知識，同時，加強與人溝通的能力以及團隊合作的能力。那么，究竟如何進行化工熱力學課程的改革呢？
基于CDIO理念下熱力學教學改革方案
針對化工熱力學教學上的種種問題，我們確定了以“產品為導向”的教學模式改革。就是讓學生通過“產品工藝的工程設計”真正學到工程設計中的熱力學知識。熱力學是從工程中來，最終還要回到工程中去，為工程服務。因此，確定了以產品制造為目標，將學生感興趣的產品“工業化”，學生扮演一個“工程師”主持一個“產品與過程”的工程設計工作。在工程項目的設計中，學生必然會碰到相關的熱力學問題。如工藝條件下流體密度（流體的PVT關系）、換熱器和功設備的負荷計算（流體的熱力學性質：焓、熵與PVT的關系）、分離塔的計算（流體的相平衡）等等，在設計過程中，學生遇到問題時，教師加以適當的指導并結合課堂所講授的熱力學內容解決實際工程中的問題，最終完成一個工程設計報告。學生只憑上課聽講是不可能將項目設計好的。必須通過自己看書、查閱大量的文獻與資料，與同組同學研究討論，才可能將項目完成。在這個過程中，強化了化工熱力學在工程中的應用，讓學生真正體會到熱力學不是虛無飄渺的理論，而是實實在在的技能。為此，我們制定的具體改革方案如下：
將學生按班級分組。原則上每班兩大組，也可根據個人興趣自成一組。選擇一個學生感興趣的化工產品，圍繞如何實現該產品的工業化完成以下內容：（1）市場調研報告。包括：產品的國內外發展現狀、市場前景、簡單的經濟分析及相關的工藝流程的了解（開課后第1～4周完成）。（2）對產品多套工藝流程方案進行可行性及經濟分析，確定小組詳細的工藝流程路線及詳細的工藝條件，完成簡單的工藝流程圖（開課后第5～8周完成）。（3）根據學生選定的工藝過程，完成簡單的工藝流程圖，教師指定與工藝流程相關的熱力學計算，通過計算體會熱力學在工程中的應用（開課后第9～12周完成）。（4）將以上三部分合成一個完整的報告期末上交，報告成績占期末總成績的30%。每一小步的工作要求完成的功課都要按時上交，并按教師的批改意見修改完善自己的報告內容（開課后第13～16周完成）。（5）最后，選擇優秀的項目報告作講演（第17周完成）。
由于選題是學生根據自己的興趣確定的工業產品，因此，項目類型與涉及的學科面應該是很復雜的。教師不可能事先知道結果，這就要求教師需要具有相對扎實的工程實際和理論的背景知識，指導學生在課題初期盡快進入課題角色，隨著課題的進展，學生要自己獲取更多的相關知識，并進行深入的研究，應用知識去解決問題。在此過程中，教師要做好“導演”，側重對學生的方法和能力方面進行指導。學生在整個過程中一定會投入大量的時間和精力，因為是以小組為單位，所以，最后的項目一定是集中了整個團隊的才智，一定會有所收獲。
通過兩年的實踐，使用以上方法取得了較好的教學效果，在加強學生學習熱力學課程積極性的同時，使學生在學習期間就能受到未來職場環境的熏陶，只有叫他們了解自己將來的用武之地，造就他們成為合格的化工專業人才，滿足產業和社會的需要。
然而，在改革中還存在一些問題，如學生的合作還存在欠缺，各組同學中都有“坐車”的現象，如何對這部分不積極參與的學生進行評價，使所有學生都能積極動起來，將是我們未來改革中亟待解決的問題。
結語
化工熱力學課程從2009年開始進行了CDIO工程教育培養模式的理論與實踐探索，并取得初步成效，我們將不斷努力探索，使這一教育模式趨于科學、有效。積極推進CDIO人才培養的培養方案改革和教學方法創新，開展適應于學生研究性學習的教學方法創新，在傳統的案例式、啟發式、交流式教學方法改革中推進體驗式、研究式、討論式教學方法，利用具體工程項目的實施，引導學生“做中學”，通過營造工程環境，實現師生間、學生間對話式學習和合作式學習，形成教學相長的生動學習局面。在教學過程中融入最新的化工工程技術成果和工藝方案，啟迪學生的工程意識和利用科技成果的創業意識，開拓學生的創新思維和創業精神，構筑“創新創業”應用型人才培養的知識新體系和課程新體系。
參考文獻：
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作者簡介：
徐新（1967—），碩士，北京石油化工學院副教授，研究方向為化工。
化學熱力學的應用范文2
系里設立了應用化工專業和化工分析與檢驗專業（高職專科），專門培養高素質、高技能的化工操作人才，其中，應用化工專業是培養化工總控工的，就業崗位包括化工工藝操作、化工工程操作，化工設備操作、維護，化工儀表控制，化工DCS操作，化工安全管理，化工產品的包裝與銷售等。
專業的課程設置
由完成工作所需要的能力，確定以下學習領域：1、物理化學的知識體系一般公認的物理化學的研究內容大致可以概括為三個方面:化學體系的宏觀平衡性質以熱力學的三個基本定律為理論基礎，研究宏觀化學體系在氣態、液態、固態、溶解態以及高分散狀態的平衡物理化學性質及其規律性。在這一情況下，時間不是一個變量。屬于這方面的內容有化學熱力學,溶液、膠體和表面化學?；瘜W體系的微觀結構和性質以量子理論為理論基礎，研究原子和分子的結構，物體的體相中原子和分子的空間結構、表面相的結構，以及結構與物性的規律性。屬于這方面的內容有結構化學和量子化學。化學體系的動態性質研究由于化學或物理因素的擾動而引起體系中發生的化學變化過程的速率和變化機理。在這一情況下，時間是重要的變量。屬于這方面的內容有化學動力學、催化、光化學和電化學。物理化學的主要理論支柱是熱力學、統計力學和量子力學三大部分。熱力學和量子力學分別適用于宏觀和微觀系統，統計力學則為二者的橋梁。原則上用統計力學方法能通過個另分子、原子的微觀數據來推斷或計算物質的宏觀現象。物理化學由化學熱力學、化學動力學和結構化學三大部分組成。2、應用化工專業所需內容的選擇對照操作崗位的知識和能力需要，本著實用、夠用，適當拓展的原則，選取化學熱力學、化學動力學兩大部分，主要內容有物質PVT性質、熱力學第一定律、熱力學第二定律、熱力學在多組分體系和相平衡體系中的應用、化學平衡、化學動力學基礎、膠體、粗分散系和表面化學。根據課程內容及深度，決定選用高職高?；瘜W教材編寫組編寫的《物理化學》（第三版，化學工業出版社）為基本教材，以傅獻彩主編《物理化學》（第五版，高等教育出版社）為主要參考資料。3、物理化學課程定位學習物理化學需要大學物理、高等數學、基礎化學的基礎知識，同時，物理化學又為學習化工設備基礎、化工熱力學、化學反應工程、煤化工工藝學等課程打下基礎。因此，《物理化學》課程是應用化工專業的重要專業課，是其他主要專業課的基礎。
基于工作過程的教學方法
確定了內容，就需要對知識按照工藝崗位的實際情況，進行解構和重構，即以工作過程為載體，以工作任務為情境，構建認知系統。通過綜合分析周邊化工企業生產工藝，歸納典型崗位，決定選取新能鳳凰甲醇的生產工藝為載體，對物理化學內容進行重構。新能鳳凰甲醇的生產采用的是德士古技術工藝，主要工段有空氣分離制取液氧，制取水煤漿，水煤漿燃燒氣化，甲醇合成與精制，各工段對應的知識如下表：（表略）通過完成任務，提高了學生掌握知識的目的性；在學生自主決策與計劃中，激發其主觀能動性，掌握解決問題的方法與步驟；通過任務實施，培養其動手實踐能力；通過教師的檢查與評價，讓學生體驗成功的愉悅，激發其學習的興趣，提高學習效率和效果。
化學熱力學的應用范文3
關鍵詞：物理化學；教學；基本概念；基礎理論
中圖分類號： G647.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-0432（2010）-11-0258-1
《物理化學》是化工及其相關專業的專業基礎理論課程，在其專業課程中具有舉足輕重的地位。它是從物質的物理現象和化學現象的聯系入手，主要運用物理學的原理和方法研究化學現象和化學過程的一門科學，重點介紹基本概念和基本理論?！段锢砘瘜W》主要是系統地講授有關化學變化和與化學變化相關聯的物理變化的各種基本理論和共同規律，使學生掌握物理變化的基本計算方法，培養學生分析和解決物理化學方面實際問題的能力，提高對化學現象的理性認識高度。通過課堂講授、習題演算等環節，使學生較系統地掌握物理化學的基礎知識，基本理論和基本技能，為后續專業課奠定必需的物理化學基礎。該課程的主要內容包括化學熱力學、相平衡、化學動力學、電解質溶液、表面現象和膠體化學等。根據《物理化學》的學科特點，其教學必須以定量描述為主，重視計算能力的培養與訓練，同時也要重視理論聯系專業的實際[1]。學習《物理化學》的目的是運用物理學的理論和方法對化學現象做出理論的和定量的探討。
通過該課程的學習，要求學生對物理化學的基本理論有較為系統的了解，掌握物理化學的基本計算方法，從而在分析和解決實際問題時能運用所學的物理化學知識和技能。在理論知識方面，化學熱力學和化學動力學是主要內容，要求學生正確了解物理化學中基本原理和概念的來龍去脈及適用范圍，應掌握主要公式的推導和應用條件，對不屬于基本理論的一些較深概念和較為冗長的公式推導，只作簡要介紹或直接給出結論，僅要求學生掌握其意義、作用和方法。在計算方面，要求學生能正確分析題意，選擇合適的計算公式和數據，掌握運算技巧和有效數字，正確使用有關物理量的單位，能用實驗數據作圖，有使用物理化學簡單圖表的能力。使學生系統地掌握有關化學及物理變化的一些基本原理和研究方法，并初步具有分析和解決有關化學方面實際問題的能力[2，3]。
以下，就《物理化學》教學內容中的幾個方面探討一下。
在《物理化學》整個教學的過程中，熱力學所涉及的基本概念、基礎理論最多。要想讓學生易于接受、理解，必須用通俗易懂的教學方法進行講解，甚至還要用上日常生活中的某些例子加以輔導、比喻以幫助理解，讓學生徹底弄懂熱力學第一定律和熱力學第二定律中的Q、W、U、H、S、A、G之間的關系，從而進一步弄清其中的途徑函數和狀態函數的求解，以達到舉一反三的效果。為接下來熱力學中的化學勢的求解以及偏摩爾量的物理意義的講解打好良好的基礎。
動力學這一塊中要讓學生了解動力學方程的規律性，以例題進行類比，最后反映其內在統一規律性；對于n不同而導致的不同特性也要加以說明和驗證，讓學生能夠融會貫通、舉一反三。這一方法將有意想不到的效果。
對于化學平衡和相平衡這一塊，從數學分析的角度來講解，則教學效果較好。對于化學平衡，主要從數學公式上的某一物理量的增大而導致另一物理量的增大或減小來說明平衡移動，則比較直觀。然后結合學生中學所掌握的化學平衡理論知識（當時學生只是學習結論的應用），此時就可根據數學分析方法對學生講清得此結論的來龍去脈?；瘜W平衡移動是由一系列的原因導致，不僅可從理論上進行推導，還可運用數學公式進行驗證、分析，使理論知識的學習更有說服力，學生掌握起來也更通透。
對于相平衡，則需要教會學生看懂相圖，搞清自由度F的物理意義和計算方法。學會看圖是一項長期且艱難的任務。如果學生本身的看圖能力不強，若能學好這塊內容，則對他自身數學知識的加深和以后專業課程學習都是一大幫助。這塊內容完全可鍛煉學生物理量的分析能力和數學知識的靈活運用，甚至可調動、提高學生學習物理化學的積極性，讓他們覺得物理化學不再枯燥、難懂、晦澀（因為熱力學中的某些公式、定律都屬于枯燥晦澀的內容），也是可以很生動，很活躍的。讓學生愿意深入思考、分析相圖，從中得到樂趣。
另外，在整個教學過程中，還需要注意習題、例題的講解。除了計算例題之外，還要經常以一些基本概念、定律、定理為基礎，設置一些選擇、填空、判斷的例題來講解，以幫助學生學習、理解。因為計算例題一般考查公式的綜合運用，講解起來耗時較久，并且難以反映基本概念的運用。對于基本概念、基本理論的學習和運用，選擇、填空、判斷這類題型能較好的反映且耗時也較短，完全可融入新課的理論講授中講解，有助于學生對新概念的理解，為下一步的學習打好基礎。而且這樣教學也可使課堂氣氛更為活躍、豐富，不會顯得《物理化學》都是一些呆板的基本概念，讓這些基本概念都“活”起來、“動”起來，有助于教學效果的提高。
當然，《物理化學》教學還有許多需要探討的地方，還有待在以后的教學中繼續進行深入的發掘。
參考文獻
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化學熱力學的應用范文4
熱經濟學起源與20世紀50年代末期，創始人為美國的Tribus。他在其指導的博士論文“能量系統的火用分析”中,第一次將經濟因素引入到了火用分析之中,并首次提出了通過系統逐個尋優達到全局最優的目的。到20世紀60年代中期,熱經濟學初步有了完善的體系，并被學術界命名為thermo-economics。Tribus的學生R.Evans還發表了熱經濟學孤立化原理的數學論證。隨后，美國的另一學派代表人物R.Gaggioli，他以代數為主要數學計算模式，進而發展了代數模式的熱經濟學。德國的Beyer，結構系數模式經濟學發展為符號經濟學，也稱矩陣模式熱經濟學（因為西方國家習慣稱矩陣為符號），矩陣模式代表了熱經濟學的成熟階段。到了1995年,王加璇等科學工作者開始在我國推行國際上各種流派的火用經濟學的先進理論。部分學者根據我國的具體國情對其研究應用,并且已經取得了一定的成就，逐漸形成了各自的流派。
2熱經濟學的原理與優勢
目前存在的能量評價方法包括以熱力學第一定律為基礎的能量分析法。這種分析法雖然操作簡單，且已經被廣泛應用，但評價值側重于“量”而沒有評價“質”。另一種是以熱力學第一定律和第二定律和火用平衡理論為框架的火用分析法。這種方法在對能量系統進行綜合分析優化的時候，得出的結果往往無法顧及經濟因素。目前最為科學全面的分析是法是本文研究的將熱力學分析與經濟因素綜合分析的熱經濟學分析法也稱火用經濟學分析法。這種方法結合了工程經濟學、系統工程、最優化技術以及決策理論等基本思想，兼顧能量使用的“量”與“質”，并將系統的火用流價格數據化，能夠評估兼顧能量使用效率與經濟價值的綜合結果，這種分析法在復雜的工程分析、診斷、優化、改進中，都有重大作用，技術優勢非常明顯。熱經濟學的分析能夠全面輔助系統的優化，它的基本原理是在進行系統優化時，確定考慮的變量及變量之間的關系，然后選擇約束條件和決策變量，最后用數學手段描述出目標函數與約束方程，進行求解。求解答案能夠對項目設計提供重要參考資料，包括對可行方案的選擇、對改進措施的評價、對成本的真實計算以及單元系統的維護與更替。
3熱經濟學的應用
熱經濟學是分析現代工程系統中一切與能力相關的系統的熱力學方法，一般來說，從原則上區分，可以分為兩大類方法，一是在卡諾和克勞修斯研究框架中，利用系統能平衡概念分析的系統各項技術、經濟指標的完善程度，通過把被研究系統與卡諾循環理想循環系統進行對比，從它們之間的接近的程度判定系統的完善程度。二是以吉布斯理論為框架，采取熱力學勢概念的分析方法，分析系統中能量轉換過程，以熱力學勢為分析重點，進而分析各種形式之下功的數值。從這一原理出發，我們可以評估被分析系統任意一點上的物流與能流所做功的性能。這一點能夠無視系統的機構復雜程度而直接對系統性能進行評估，所以，我們可以充分利用這一方法的特點，分析得到需要的全部信息。這種方法，首先在化學熱力學領域被廣泛應用，而其他領域一般仍沿用第一類方法。在我國熱經濟學分析法被引入到熱力系統，我國學者首先主要通過概念模型來分析熱力系統，并實際通過繪制結構圖對實際操作進行了指導，熱經濟學理論并且被用于分析復雜的能量體系，模擬故障診斷，并用于計算成本。在系統的優化方面，熱經濟學被用于對系統進行分析，分析的內容包括燃料、產品流的成本，和最紅產品的形成過程，在此過程中，通過計算編輯火用成本的變化能夠建立能量損耗分析模型，實現了在線診斷系統性能的目標，隨后熱經濟學概念引入到火電機組，建立了加熱器故障診斷指標的通用數學模型，實現了加熱器故障診斷的可能性。還有學者通過研究火用流的計價和費用分配問題，對把輸入的火用流進行拆分,提出了基于能級相近最大化相供的火用流計價策略，并將此原理應用于熱電聯產熱力系統之中。生態系統的求解問題通常會遇到非線性問題和Lyapounov含義的穩定問題，對這類問題進行求解，必須使用微分幾何與張量代數、步驟較為繁瑣，且這些方法難度較大。再忽略精度細微誤差的前提之下，我們可以使用網絡熱力學方法去求解，網絡熱力學分析法是近年來發展并逐漸成熟的計算方法，雖然目前仍有待完善，但是前景光明。
4結語
化學熱力學的應用范文5
關鍵詞：化學平衡；化學反應速率；經典熱力學；化學反應動力學
文章編號：1008-0546（2012）04-0008-02 中圖分類號：G632．41 文獻標識碼：B
doi：10.3969／j．issn．1008－0546．2012．04．003
化學平衡和化學反應速率分別是經典熱力學和反應動力學討論的重要問題之一，兩者都受體系溫度、壓力和物料的濃度影響。在《化學反應原理》模塊相關內容的教學上，許多教師容易產生學科認識上的混淆，將兩者的影響因素等同看待并相互套用。比如，有的教師在“化學平衡的移動”教學中給學生做這樣的總結：“當外界條件發生改變時，如果對正、逆反應速率產生了不同的影響，導致某種物質的轉化率發生了改變，原化學平衡就被破壞，并且向著生成更多某物質的那一方移動，即如果導致υ正＞υ逆，則向著正反應方向移動，如果υ正＜υ逆，則向逆反應方向移動”。上述對化學平衡移動和反應速率變化的動因分析，呈現了一個值得探討的學科知識問題，是反應速率的變化導致了化學平衡的移動，還是化學平衡的移動導致了反應速率的變化，兩者在動因上有必然的聯系嗎？無疑，化學反應速率與化學平衡的移動總是相互伴生并相互作用，部分教師對兩者所包含的化學熱力學和反應動力學的學科知識體系的認識還存有模糊，不能正確地區分與應用。因此，有必要從學科知識的角度做進一步厘清，以免貽誤教學。
一、化學平衡及其移動的本質
化學平衡及其移動，是經典熱力學闡釋化學反應限度與反應推動力關系的重要表達方式。經典熱力學從物質的宏觀狀態變化的角度出發，探討反應中的能量變化關系，并將化學反應式兩邊看作化學變化前、后的兩種熱力學狀態。通過反應前、后的狀態變化，即反應的溫度T、焓變ΔH和熵變ΔS闡明了反應進行的推動力，即ΔG＝ΔH－T×ΔS（吉布斯自由能變化）。從而為一個反應能否自發進行提供了判斷的依據。當然，該推動力僅僅是建立在反應物和生成物互不混合的純態基礎上。對一個實際的反應系統，即使反應的ΔG＜0，反應能自發進行，系統的實際反應推動力還要包括反應物、生成物相互混合過程對吉布斯自由能的影響。因此，一個反應系統的反應推動力實際是：
ΔG ＝ΔG純態＋ΔG混合影響＝［（1－ξ）ΔG反應物＋ξΔG生成物］＋RT［（1－ξ）ln（1－ξ）＋ξlnξ］ ξ――反應進度
圖1中灰線為純態的反應ΔG變化，實線則是反應系統的吉布斯自由能變化曲線。由圖可見，任一個自發進行的反應系統，在一定溫度和壓力下，其推動力ΔG在某一反應進度上都會有最低狀態，該狀態就是反應系統的平衡態。也就是說，任一自發進行的反應系統，也會建立一個平衡。當然，不同反應平衡態所處的進度不同，因而就有反應的最大轉化率。
在一定溫度下，對化學反應aA＋bB?葑cC＋dD系統來說，反應的平衡態可用平衡常數來描述，用具體反應物和生成物之間的濃度或分壓關系表達為：
Kc＝ 或Kp ＝。
經典熱力學的研究建立了反應系統的推動力與反應限度（平衡常數）之間的關系為：ΔG ＝－RTLnK。從而確立了化學反應的能量變化與反應限度之間的關系。
從經典熱力學有關化學反應平衡理論的概述可以看出：化學平衡是反應系統的熱力學狀態變化的結果和體現；平衡常數與反應體系溫度息息相關；反應平衡體系中各物質的濃度，由平衡常數所決定，但其又以系數的冪次方關系對平衡體系產生影響；反應的推動力或平衡常數可以在一定的反應條件下，由反應物的轉化率間接地表達，但平衡體系變化，必然伴隨轉化率的變化；經典反應熱力學僅從反應前、后狀態的能量變化的角度出發，去探討反應的可能性與限度問題，始終都未涉及反應從始態到終態之間的過程問題，也就是說，熱力學基礎上建立的對化學反應問題的結論，與反應速率之間沒有任何的聯系。
經典熱力學有關平衡移動的理論，為化學反應的應用，提供了反應的狀態條件（如反應體系物料配比、壓力、溫度等）選擇的理論依據。比如，合成氨工業中，通過平衡計算可以獲得狀態條件與最大轉化率之間的關系，從而使工業生產可以據此為理想的邊界條件，從中尋找提高產率（轉化率）的最佳條件。但必須清醒地認識到，合成氨反應在提高產率和生產率（反應速率）這一對相互制約的矛盾中，如何提高反應速率，何時達到上述最佳反應轉化（平衡），熱力學沒有、也無法做出回答。也就是說，熱力學討論化學平衡及其移動問題時，與平衡移動的快慢（反應速率）沒有任何的關系。這是我們在教學中應注意把握的學科認識。
二、化學反應速率及其變化的原因
對一個化學平衡體系，正如前述，若其體系中任一狀態（平衡條件）的改變，都將引起平衡的移動。平衡的移動是建立一個新平衡的過程，就有過程速率即反應速率的問題。反應速率理論是經典化學動力學對反應歷程闡釋的基本理論，包括反應速率的概念和分子碰撞理論基本模型。
化學反應速率是指反應物或產物濃度在單位時間內的變化量，可以用υ＝ 表示。雖然我們在教材中用平均反應速度表示，但是，教師在概念理解上應該意識到，反應是一個動態變化的過程，其進行的每一瞬間，濃度都在發生著變化。因此，速度也在變化，反應速度表示的僅是一個瞬時速度。嚴格的反應過程描述，應用速率的微分表達式：υ＝－。經典的分子碰撞理論對化學反應歷程研究最重要的貢獻，就是建立了反應活化能的概念，并提出了反應速率影響關系的表達式：υ＝k?cn。
n――反應級數；k＝A?e。
分子碰撞理論模型指明，反應的發生受制于該反應的活化能壘，反應速率受反應物的濃度、反應溫度和活化能的影響。影響反應速率的濃度關系，僅僅是針對反應物。反應物濃度對速率影響的關系，較之化學平衡來講更為復雜。因為對絕大多數的化學反應來說，并非基元反應，而是分步反應，比如教材中所舉的氫、氧燃燒反應的分步反應例子。因此，決定化學反應快慢的，是反應過程各分步基元反應中最慢的那一步，與總反應式中的反應物系數并無直接關系。因此，絕大多數的化學反應，濃度對反應速率的影響，要通過實驗測定。各反應物對總反應速率的影響貢獻不同，其值稱為反應級數n。因此，反應速率與反應歷程是息息相關，不同反應的反應物濃度影響表現也各不相同。
化學反應速率理論為我們提供了從動力學上如何控制反應盡快實現平衡的方法指導。比如，加大某一關鍵反應物料（反應級數高、對反應影響較大的反應物）濃度、通過催化劑改變反應歷程、提高反應溫度等辦法。但是，必須清醒地意識到，上述改變僅僅是改變了反應速率，從而改變了反應平衡達到的時間，卻并不能改變反應前、后兩種狀態的熱力學性質。因此，不能改變相同反應條件下的化學平衡和轉化率。由此可見，化學反應速率和平衡移動雖然有共同的影響因素，但它們的影響從機理到具體影響形式和程度，都是完全不同的兩回事。
三、正確認識反應速率與平衡移動的關系
通過對兩個學科知識的回顧可以看到，在一個化學平衡體系中，體系中任何狀態的變化都將破壞平衡并導致反應向新的平衡狀態移動。平衡的移動是一個過程，必然伴有過程速率即反應速率。隨著過程的進行，反應速率在不斷地改變直至新的平衡建立。平衡是對過程結果的描述，速率變化則是對反應過程的描述。它們的解釋機制是兩個不同學科的不同問題，既非化學平衡移動決定反應速率的變化，也非反應速率的變化導致了化學平衡的移動，它們屬于各自獨立的學科體系問題。
為描述化學平衡的建立過程，我們通常會用一個簡單的宏觀反應物濃度與時間的變化關系曲線加以表示，如圖2。
對于該圖的表達，許多教師存在誤解：一是將濃度變化畫為直線變化；二是認為反應物與生成物變化曲線一定是對稱變化；三是如何認識宏觀變化與微觀運動變化的問題。
該圖曲線建立的依據是什么呢？是基于化學反應速率的微分概念：υ＝－＝ k?cn
化學熱力學的應用范文6
（吉林建筑大學基礎科學部，吉林 長春 130118）
【摘要】化學課程的教學改革歷經了幾十年，取得了諸多成果，但也存在一些需要改進的問題。本文針對工科普通高校所開設的四大化學課程，列舉了當前化學教學的現狀及容易出現的問題，提出了未來幾年工科普通高校的化學教改趨勢應以“新”、“老”相融合為主的觀點。
關鍵詞 化學課程；教學改革；觀點
A Discussion on Teaching Status and Reforming Trend of Chemistry Curriculum in Engineering College
GUO Yan LI Xiao-dong
(Basic science Department, Jilin Jianzhu University, Changchun Jilin 130118, China)
【Abstract】The teaching reforming of chemistry curriculum has gone through decades,that obtained many achievements,but there are many problems need to be improved. In this paper, about four chemistry course in some engineering colleges,the author list the current status of chemistry teaching and the phenomenon, proposing a view that education reform trends in chemical engineering college in the next few years should merge by “new” and “old”.
【Key words】Chemistry curriculum; Teaching reforming; View
工科普通高校的化學課程基本上都設置在低年級，以講授《無機化學》、《有機化學》、《物理化學》、《分析化學》的內容為主，根據各高校的教學培養目標需求，可將四大化學的知識進行篩選、分配、組合及應用。這些課程在工科院校，以專業基礎課居多，有的還是主干課，其對后續的專業課程很重要。近年來，科技的發展及教學改革的不斷創新，要求化學為學生提供更加深刻的理論基礎，故促進四大化學的優質教學，加快課程的整體改革進程，清晰目前的教學、教改現狀，合理的構建化學課程，是擺在每位化學教學工作者面前的重要任務。
1 當前四大化學教學的現狀及易存在的問題
化學的教學改革已經歷經了幾十年，從教材、教法、內容、應用、理念等諸多方面進行了變更和創新，發展至今天，出現了非常繁盛的景象。當化學為工科專業教學進行服務時，教學改革更顯得極其重要。目前，四大化學教學過程中，容易出現（或存在）以下幾個現象：
1.1 四大化學的教學內容設置過于重復
教學內容重復的主要原因在于開課教研室對化學課程的整體設計和構建考慮不周。例如在《無機化學》和《物理化學》中都設置了很多學時來講解化學熱力學基礎，若教研室沒有辨清該內容在兩門課程中的教學目的和側重點，則很容易出現教學內容重復的現象，導致同樣的內容在《無機化學》和《物理化學》中各講一遍，而這個現象目前還普遍存在。
1.2 四大化學的教學內容未能滿足專業需求
這個問題的出現，主要原因是教學大綱設置與培養目標不匹配，或主講教師不夠了解專業課程對化學的需求，且對此專業的了解偏少造成的。不同的專業需求的化學知識側重點不同，例如，對工科的環境工程專業，在講授《物理化學》課程時，若仍舊耗費相當多的學時來講述“化學熱力學”以及“化學平衡與相平衡”等章節，而電化學、膠體化學、界面化學等貼近專業的內容只是略講，那就偏離了專業的需求。另外，若授課教師了解一些污水處理的基本流程，使理論與實例相結合，這樣才能使化學知識為專業服務。這也是一些高校在引進新教師時，傾向于有工程實踐背景人才的原因。
1.3 四大化學的精髓掌握不清
四大化學的理論博大而精深，若想掌握其教學精髓之處，需要幾輪的課堂講授功底、多年的研究及閱讀大量的文獻。以《無機化學》和《分析化學》為例，《無機化學》偏重于定性和原理，而《分析化學》偏重于定量和分析[1]，若不理解這一精髓的話，課程的講解就無重點可談，教師和學生都會很茫然。筆者認為，對于化學理論知識的構建，其本質都是化學元素的地球行為和能量守恒原理、物質不滅定律的綜合體現。
1.4 教學指導思想和教學方法落后
目前在很多教師的思想中還存在著這樣一種認知：“只是在課堂上把教學內容講清楚，照抄照搬教材內容就是完成教學任務”，這種想法忽視了對知識的更新和對現代教育理念的重視，其不僅是個人的原因，也是大環境下評價體系或監督機制不健全、不嚴格的造成的。學習無止境，教師和學生一樣，都有著對新知識的渴求欲望，用什么樣的方法獲得和傳授知識，需要我們具有革新的思想和敢于實踐的勇氣。
1.5 科研知識無法靈活納入理論教學
當前，很多教師都同時承擔教學與科研工作，有的老師甚至在科研中取得了卓越的成果，但是在課堂上卻沒有把科研與教學結合起來，其主要原因多在于找不到話題切入點。對于化學學科來講，一些科研實驗的理論（或原理）恰恰就隱含在化學基礎知識中，而在教課過程中，哪些是科研實驗的理論支撐，需要其細細體會才能提煉出來。例如，《分析化學》中“重量分析與沉淀滴定”一章，在講解沉淀的形成時，就完全可以與科研實驗中納米材料的制備聯系起來。
2 未來幾年工科普通高?；瘜W課程的教改趨勢探析
化學教學的改革推陳出新，研究者們提出了很多的改革方案和建議，各持己見。根據對近幾年化學課程教改的觀察、學習和研究，筆者認為未來幾年教改趨勢應以“新”、“老”相融合為主，具體可以從以下幾個方面著手：
2.1 融合經典化學與現代前沿化學為一體
四大化學中各有經典內容，例如物理化學中的化學熱力學、膠體化學、化學動力學；無機及分析化學中的四大平衡和四大滴定。這些經典內容，是每個高校化學課程的必講章節，也是其專業的必修知識。但隨著科技的進步、前沿化學的研究及交差學科的出現，化學課堂僅僅講授經典化學理論是不能滿足學生對知識渴求的，需要教師在有限的學時內，將新知識有機地穿插在教學中，使得化學課程不再是單一的授業和灌輸，而是具有科技性和時代性。
2.2 融合傳統教學思想與現代教學理論
在現代課程的視野中，知識不再是永恒不變的真理，教育的關鍵是讓學生在與教育情境的交互過程中[2]。這句話道出了新時期“教育”的新概念。多年來，雖然人們在這方面的研究較多，但在實際教學中卻因為種種原因，達不到預期的效果。即便如此，現代的化學教學思想仍需要重視和實施，這一思想包括：課程的開放性、學習的互動性、敢于對知識的質疑性等等。教學過程是動態的，充滿挑戰性、靈活性和想象力的，人們要勇于革新。西班牙建筑大師高迪，其不拘泥傳統直線型、平面型的建筑風格，創造了后現代建筑的杰出代表之一——曲線構型的圣家族教堂。想象無止境，想象是我們改革創新的動力和源泉。
2.3 融合與調整四大化學的交叉內容
《無機化學》一般都作為大一新生所接觸的第一門化學課程，該門課程作為高中化學和后續化學課程的銜接內容，起到很重要的鋪墊作用，這也是《無機化學》與《物理化學》、《分析化學》部分章節重復出現的原因。但經過多年的教學實踐，發現在《無機化學》中的所涉及的一些內容量大而不精，使得一些經典的概念被支離破碎。以化學熱力學部分為例，一些公式推導被略去，教師講起來很機械，不嚴謹、不科學，學生聽起來也一頭霧水，而這些內容又要在《物理化學》中從頭講起，前后耗費了不少學時。因此，如何調正和融合四大化學的交叉內容，是一個長遠和大膽的嘗試。
2.4 融合與構建高中、本科、研究生三個階段的教學內容
這三個教育階段的化學內容和目的各有不同，階梯式地闡述了化學的本質和精髓。大學化學課程是高中化學課程的拓展與精講，也是研究生課程的基礎，在整體化學教學安排中是關鍵階段。因此在講授過程中，教師首先要清晰本階段的教學培養目標是什么，高中時期學生對化學知識掌握的程度，同時還要設計好知識的前后次序，只有這樣才能詳略得當、有的放矢地講授，才能靈活地駕馭課堂，做好教學內容的銜接與構建工作。
以上四個觀點尤其適用于建筑類、醫藥類、食品類的工科院校，其四大化學僅是基礎課程，學時少、任務重，在培養方案中，規定需在220~260個學時內完成全部化學的教學內容。目前對這種情況的教改研究偏少。
3 結論
化學知識猶如一幅多彩的畫卷，需要通過我們化學教育工作者的手循循打開，由少到多、由簡到繁地娓娓道來。如何詮釋好這一幅畫卷，需要用心去尋求最好的方式。工科院?；瘜W教學的改革目的也是如此，我們要遵循教育發展的規律，遵照專業設置的需求，遵照社會人才的培養目標，做好教育教學改革和創新，向求知者展示化學世界帶給人類的魅力。
參考文獻
［1］趙春玲,王薇,胡立新.工科無機及分析化學課程改革的實踐與思考[J].廣州化工,2012,40(20):136-137.
