线上线下双模式教育的应用——以机械电子工程专业必修课《热力学与传热学基础》为例

后疫情时代,为适应教学要求,逐渐衍生出线上线下双模式的教学方式。本文以机械电子工程专业的必修课《热力学与传热学基础》为例介绍了线上线下双模式教育在教学中的应用。首先介绍了《热力学与传热学基础》这门专业必修课的主要授课内容、学习目标和考核标准,其次以理想气体基本热力学过程的p-v图和T-s图为例,说明了双模式教育的应用为教学带来的好处。

报国赤心·守正创新·倾心育新——电动势法测定化学反应热力学函数实验的课程思政设计

课程思政的有效融入是教学质量提升和高素质人才培养的关键。我们以“电动势法测定化学反应的热力学函数”这一实验项目为例,构建了一次深入的实验探究与思政教育相结合的教学实践活动。通过对电动势测定原理和方法的探讨以及反应热力学量的导出,学生们不仅深化了对相关基础理论知识的理解,提升了他们解决实际问题的实验技能和创新能力;同时强化了学生的家国情怀以及责任担当意识。

创新理念下研究生翻转课堂的实践探索——以“化工热力学”教学为例

以创新能力培养为导向,将翻转课堂的教学形式引入研究生“化工热力学”的教改研究与实践中。针对目前的翻转课堂存在教学模式不清晰、教学效果不能准确评价的问题,建立模块化的教学设计方法和过程教学评价反馈机制,并与常规教学模式进行对比。鼓励学生通过独立查阅文献,主动学习课程资源,解决化工生产中的热力学问题。通过改革与探索,培养学生的自主学习能力和科研创新能力,为高素质人才的培养奠定基础。

工程认证背景下“化工热力学”课程思政设计与实践

“化工热力学”是化工类专业的核心课程之一。如何将抽象难懂的专业知识与课程思政有机融合,达到润物无声的育人效果,是专业课程思政建设必须要解决的难题。作者围绕政治认同、家国情怀、职业操守、科创精神四个思政方向,从课程发展历程、课程内容、课程本身特点及生产生活实例中提炼思政元素;通过线上线下混合式教学模式,全方位、多角度地融入思政元素;改革课程考核及评价方法,对课程的思政目标进行科学有效的考核,在传授专业知识的同时引导学生树立正确的人生观、价值观和世界观,有效实现专业教育和思想政治教育的有机融合。

热力学·统计物理教学中的量纲问题

本文就热力学·统计物理的一道习题的解法展开讨论,说明在物理问题推导过程有量纲物理量的规范运算方法,以及物理结果的规范表达方式。此外,论文简单说明了Π定理并举例利用Π定理对物理系统进行量纲分析。量纲分析在物理学中如此重要,因此在物理基础课教学中应予足够的重视。论文附录给出了汪志诚《热力学·统计物理》(第六版)教材中部分公式规范表达形式。

基于创新创业能力培养的《材料热力学与动力学》课程思政建设

课程思政教育与创新创业教育在育人目标和具体途径上存在相似性,在新时代教育改革的背景下应切实发挥课程思政建设的作用,将课程思政与专业知识教学的各个环节有机融合并产生协同效应,使价值引领和思想政治教育贯穿在专业知识教学的全过程。以《材料热力学与动力学》为例,从课程内容重塑、教学方式改革、思政建设等几方面探讨了课程思政与创新创业教育协同共进的思路与举措,实现了专业核心课程教学环节支撑高水平人才创新创业能力培养的目标,提升了学生的学习兴趣和参与度,提升了课程教学质量,培养出了高素质、创新性的复合型高级工程人才。

de Rham-Gabadadze-Tolley(dRGT)黑洞的热力学与弱宇宙监督假设

有质量引力理论作为修正引力理论之一,对探究宇宙加速膨胀,以及解释暗能量和暗物质问题等有重要意义.本文研究了在常规相空间中de Rham-Gabadadze-Tolley(dRGT)有质量引力下球对称黑洞的热力学第一定律、热力学第二定律与弱宇宙监督假设是否成立;并通过图像探究熵的微分变化量随事件视界r_(d)变化的影响,以及与dRGT黑洞无量纲自由参数α,β与引力子质量对该图像的影响.在研究过程中,通过引入标量粒子的能量G动量关系,来验证黑洞热力学第一定律是否成立,通过观察事件视界对熵的微分变化量的影响,来验证黑洞热力学第二定律是否成立.研究发现,黑洞在吸收粒子的同时,其视界半径始终存在,从而使奇点始终没有裸露出来.结果表明,在dRGT有质量引力下球对称黑洞的热力学第一定律,热力学第二定律与弱宇宙监督假设均成立.

浮选固液系统的热力学理论及应用

浮选是发生在固液界面的物理化学行为,涉及多种物质组分之间的相互作用,是浮选理论研究的难题之一。同时,多种浮选药剂联合使用,提高矿物的浮选效果,是提高难处理矿产资源高效利用的有效手段。但对浮选固液复杂系统的研究极其困难,至今没有形成系统的理论,组合药剂提高浮选效果的物理机制也还没有获得统一的认识,这都限制了浮选理论的发展和浮选技术的进步。基于热力学基本方程,研究了浮选过程中药剂在矿物表面吸附的熵变和吉布斯自由能变化,构建了各种物质组分相互作用的热力学平衡方程组,提出了反映浮选药剂在矿物表面吸附能力的吸附平衡常数。应用浮选热力学平衡方程组,揭示浮选中各种矿物表面同质化效应的物理本质,推导出了浮选溶度积理论、双电层理论、吸附理论的数学表达式。建立了通过增加矿物表面吸附浮选药剂种类,提高浮选药剂的吸附熵变,减少吉布斯自由能变化,提高浮选药剂吸附的效率和稳定性,从而提高难处理矿物的浮选效果的高熵浮选理论和技术方法。

轴向柱塞泵热特性及热力学建模实验研究

针对轴向柱塞泵在高压和高速工况下发热过快的问题,对柱塞泵热特性和热力学建模进行了仿真分析与实验研究。首先,在摩擦副发热理论基础上,考虑了泵内油液搅动摩擦与轴承摩擦发热源,研究了柱塞泵内发热机理和传热分析的热特性理论;然后,根据柱塞泵部件复杂和固流态域区分度高的特点,阐述了所采用的控制体积法原理,将泵划分为5个控制体积后,建立了以各个控制体温度变化为导向的热力学模型;最后,采用光纤光栅温度传感器和蓝牙无线温度传感器,针对不同的控制体节点设计了传感器封装结构和布置方法,共同组成了轴向柱塞泵在线热监测系统,并进行了在不同压力条件下的对照实验,对理论模型进行了有效性验证与分析。研究结果表明:对比实验和仿真结果,模型温度变化与实际误差值在5%左右,验证了该模型能准确地反映和预测泵热力学变化过程。该结果为柱塞泵热力学状态监测提供了故障诊断基础,并为液压系统热管理系统设计提供了理论基础和设计依据。

晃动条件下大型液氢舱罐的动力学及热力学特性

大型液氢舱罐在不同海况下会呈现出复杂的动力学响应及热力学响应,并在很大程度上影响舱罐的安全,因此,建立一个数值模型来研究晃动条件下船用大型低温舱罐中液氢的动力学特性及热动力学特性。应用流体体积(VOF)方法捕获晃动过程中自由表面的波动,使用Lee相变模型来描述晃动过程中的蒸发冷凝现象并与已有试验进行对比验证。研究不同充注水平和晃动条件下液氢的自由表面形状和面积变化,舱壁压力变化,舱罐内气液温度变化以及相变引发的降压现象。结果表明:固有频率附近的晃动伴随着射流和破碎液面的产生,会对舱壁产生抨击压力;液面破碎程度越剧烈,液位越高,舱内压力下降速率越快;舱罐内气液温度演化经历了热分层、晃动混合和总体温升等3个阶段。研究结果对进一步理解非等温低温舱罐中流体的晃动动力学及热力学特性具有重要意义。

关于热力学的几点新视角下的思考

为了准备2023年12月31日的跨年科学演讲,我又得以系统地阅读了一些热力学发展史上的经典文献。相比于2015年那次为了讲授热力学去浏览热力学文献,如今因为获取文献更加容易因此也就略全面了一些,个人对相关问题的理解也有了一点儿进步。在准备讲稿的过程中,对热力学这门比较年久的物理学基础学科有了几点新视角下的思考,粗略整理一下,就教于方家。

压缩空气储能地下储气库热力学改进模型研究

【目的】明晰地下储气库的热力学过程是压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)电站安全设计与运行调度的重要基础。【方法】现有地下储气库热力学模型在计算热量交换时,存在高压储气阶段热损失偏大和低压储气库阶段补热过多的不足。本文在全面分析地下储气库热力学模型理论基础合理性的前提下,先分析储气库热量计算偏差的形成根源;再提出改进模型。【结果】研究结果表明:现有的热力学计算解析模型忽略了CAES地下储气库在运行过程中温度分布的不均匀性,这种温度分布的不均匀导致储气室洞壁与压缩空气之间的对流换热模型失真,导致温度计算结果偏差大。考虑混合对流换热的改进模型二可以较好地解决储气阶段温度计算结果与真实结果之间偏差过大的问题。算例分析证明了改进模型二的合理性。【结论】本文的改进模型二可为CAES地下储气库容积优化设计与效率分析提供计算依据。

多种构型超临界CO_(2)循环热力学解构分析与参数优化

新型超临界CO_(2)(S-CO_(2))循环可通过流程改良提高效率,构型复杂多样。为了直观阐明各种流程改良措施对循环效率提升的作用机制,本文将预压缩、后压缩、再压缩、间冷、再热等五种构型的S-CO_(2)循环解构为若干热功转换过程,建立各解构过程与循环效率之间的关联方程,进而开展流程参数优化。研究结果表明,预压缩、后压缩和再压缩方案均是通过增加压缩耗功,减少吸热量实现循环效率提升,其中再压缩方案效果最优,再压缩流量优化后循环效率提高5.1%;采用部分间冷方案,可有效降低压缩功耗,同时避免高品位热量贬值,间冷压力优化后循环效率提高2.2%;再热方案在不改变压缩耗功的前提下,增加透平出功,再热压力优化后循环效率提高1.9%;最后,循环联用再压缩、间冷和再热三种节能措施,可使效率提高9.3%。

“工程热力学”课程思政之设计与实现

在仔细梳理“工程热力学”知识目标的基础上,深挖课程思政案例,确定课程的能力目标和课程思政的价值目标是节能环保的爱国情怀、职业担当的民族自豪感、专注强国的社会责任感、乐于奉献的人生价值观、勇于探索的科研追求感。在教学设计中以热力学第二定律为例给出具体的教学案例,分别详细说明热力学第二定律的知识目标、能力目标和价值目标的实现要求,并对教学手段进行设计。教学结果表明,采用这样的教学设计可以提高学生对知识目标的掌握程度,提升学生的能力目标,引领学生的价值目标,为日后课程的持续改进提供依据,对其他理工科专业课具有一定的参考价值。

水合物模拟装置优化及热力学抑制剂性能研究

为了解决钻井过程中抑制生成的水合物对井筒造成堵塞问题,对天然气水合物生成及评价模拟装置釜内搅拌杆结构及其内部封头进行了重新设计和改进,在此基础上研究了淡水及模拟海水中水合物生成规律,并对比分析了NaCl、MgCl_(2)和Al_(2)(SO_(4))_(3)三种热力学抑制剂对水合物生成的抑制效果。研究结果表明,相比于其他类型的实验装置,具有可视化功能的双反应釜体系,可以同时模拟温度相同时不同液体和压力下水合物生成实验。当热力学抑制剂质量分数为12%时,NaCl产生的离子可以优先与水分子结合,并产生强大的破坏作用,有利于水合物分解,对水合物生成的抑制效果最佳。在温度、初始压力和搅拌速度相同时,改变三种热力学抑制剂的质量分数,分析水合物生成过程中的压降与水合物生成量,1%的MgCl_(2)、10%的Al_(2)(SO_(4))_(3)和20%NaCl对水合物生成的抑制效果最好。研究成果对认识不同基液中水合物生成、热力学抑制剂的抑制规律具有一定借鉴意义,同时为配制更安全的钻井液体系提供思路。

化工热力学课程案例式教学探索与实践

化工热力学课程概念抽象,不易于学习,导致学生学习兴趣不高、学习效果不好,因此改进教学方法迫在眉睫。教学团队基于课程重点和难点内容,结合实际过程开发相关教学案例,并设计了问题导向和理论联系实际的教学方法,以期提高学生的学习积极性和参与度,强化学生对所学知识的理解,培养学生分析和解决实际问题的能力,最终达到学以致用的目的。

热重分析法对废旧电路板热解过程动力学和热力学分析

废旧电路板(SPCB)是一种典型的有机废弃物,可通过热解技术实现其资源化利用。采用热重分析技术(TGA)对其热解特性进行研究,揭示热解过程反应动力学和热力学。实验在氮气气氛下,考察了不同升温速率(5、10、15℃/min)对SPCB热失重特性的影响,结果表明热解过程主要发生在250~400℃温度区间,随着升温速率增大,SPCB热失重(TG)曲线逐渐向高温方向偏移,在对应的热失重速率(DTG)曲线中,存在一个明显的失重峰,且峰值温度不断增加,热滞后现象显著。采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)模型、Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)模型和Friedman(FM)模型进行动力学分析,拟合得到平均表观活化能(Ea)分别为168.46、167.31、234.84 kJ/mol,活化能均随转化率增加而相应增大。利用FWO模型对热力学参数进行计算,在相同升温速率下,随着转化率的增大,吉布斯自由能变(ΔG)逐渐降低,对应的焓变(ΔH)和熵变(ΔS)不断增加;在相同转化率时,ΔH和ΔS随升温速率增加稍有降低,而ΔG逐渐增加。

中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统热力学性能分析

针对地热能发电技术效率低、稳定性差的问题,提出一种兼具同轴套管取热技术和压缩空气储能技术特点的中深层地热能同轴套管换热器储能发电系统,通过建立系统的热力学模型,研究了典型工况下系统关键参数和热力学性能的演化规律,揭示了不同运行特征下地热恢复与提取的动态机制。研究结果表明:储能发电系统的运行分为非稳定循环和稳定循环阶段,在非稳定循环阶段中,热提取量和膨胀机输出功随循环次数的增加而增加,而热补偿量和系统效率呈相反趋势变化;当热提取量、热补偿量和地热消耗量达到平衡时,储能发电系统从第8次循环进入稳定循环阶段,稳定循环中各参数不随循环次数改变,单次循环输出电量为47 956.7 kW·h,系统效率达到63.5%;通过提升压缩机压比和补热水流量可以提升地热恢复温度:当压缩机压比由6提升至7时,深度为1 300 m、半径为0.116 m处,岩土温度多提升4.3℃,当补热水流量由4.5 m^(3)/h提升至6 m^(3)/h,同一处岩土温度多提升6.4℃,该研究为提高地热能发电效率和稳定性提供了新方案。

FactSage热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性中的应用

商用热力学计算软件FactSage在耐火材料抗渣侵蚀性研究中起到重要作用,因此在耐火材料研究中应用越来越广泛。本文总结了近15年来热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性研究中的应用,重点介绍了耐火材料抗渣侵蚀研究中常用的热力学计算模型,分析了各种模型的原理、特点、适用情景、精确度与局限性,并给出了详细的运用实例。此外,本文介绍了热力学计算与其他方法相结合运用的实例,包含ANSYS、动力学分析、分子动力学模拟等方法,规避热力学计算的局限性,更加全面地分析熔渣对耐火材料的侵蚀行为。最后,本文对热力学计算存在的问题进行了归纳,并基于现有研究现状对其发展前景与方向进行了展望。

酶法辅助提取人工培育蝉花多糖工艺优化及其动力学、热力学、抗氧化研究

目的:优化酶法辅助提取人工培育蝉花多糖的工艺,考察料液比、酶添加量、酶解温度、提取时间等单因素对多糖得率的影响。方法:借助Box-Behnken设计的四因素三水平法建立了该多糖提取工艺的理论模型,并研究多糖对三种自由基的清除效果,根据Fick第二定律建立了人工培育蝉花提取的动力学模型,并根据速率常数、相对萃余率、活化能等参数,研究其动力学和热力学性质。结果:经响应面分析得到该多糖最佳提取工艺为:料液比1:30 g/mL、酶添加量1.6%、酶解温度67℃、提取时间90 min,在此条件下蝉花多糖的得率可达7.91%,与理论值接近。在该工艺下的人工蝉花粗多糖的DPPH自由基和羟自由基的IC_(50)值分别为0.54和0.60 mg/mL,ORAC值是45.62 Troloxμmol/g,具有良好的体外抗氧化活性。结论:利用酶法辅助提取人工培育蝉花多糖,为该类已商业化的蝉花资源的多糖组分开发提供了理论基础。