化学热力学的应用
化学热力学的应用范文第1篇
摘要：
通过数值仿真方法针对液体火箭发动机内的气相化学动力学与振荡声场的热声耦合机理进行了研究。采用任意拉格朗日算法解耦流动与化学源项间的刚性。采用的多步总包反应机理考虑了底层的准稳态组分脉动。通过入口流量边界的流量脉动向燃烧室中引入纵向声波，并建立了冷流声学相似场模型以分析热声耦合效应的强度。研究发现：在线性小振幅声场中，气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡无明显耦合激励；在非线性有限幅值声场中，燃烧室压力与释热波动出现“突跃”并表现为陡峭前沿波，气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡发生耦合激励，反应流较其冷流声学相似场的压力振荡振幅增强约300%。最后分析了耦合激励发生的可能原因，提出了气相化学动力学体系的“释热分岔”假说。
关键词：
热声耦合；化学动力学；任意拉格朗日欧拉算法；冷流声学相似场；数值仿真
1引言
液体火箭发动机高频燃烧不稳定是一种热声耦合现象［1］，可由Rayleigh准则进行描述，这一准则早在19世纪就被发现且至今仍在燃烧不稳定研究领域享有基础性地位。Rayleigh准则本身是简单的，将其置于液体火箭发动机具体的环境中却立刻变得捉摸不清。液体火箭发动机内流场是一个复杂的物理化学系统，其包含雾化、蒸发、湍流、燃烧等多个子过程，其中哪些子过程可以作为燃烧不稳定的控制机制至今未有定论。为了研究释热与声场的耦合机理，有必要对燃烧当中的各子过程与声场的相互作用机制进行单独研究［2～4］。长期以来，特征时间较长的喷雾和蒸发过程一直是燃烧不稳定领域的重点研究对象［5，6］，两者在释热链中是热释放速率的决定性因素且与声学过程的固有频率相当。除此之外，近年来相关文献通过在仿真中采用LES或DES湍流模型捕捉瞬态湍流结构来研究湍流对燃烧不稳定的影响，其中比较有代表性的是普度大学Smith等的研究［7］，他们认为大尺度的涡撞击破碎引发的周期性释热脉动可能成为燃烧不稳定的驱动机制。理论上说，液体火箭发动机内流场流动燃烧的诸多子过程均是驱动燃烧不稳定的潜在因素，然而热释放的最终途径化学动力学过程由于特征时间极短而被长期忽视，特别是针对气相化学动力学与声场耦合机理的仿真研究相对匮乏。在十分有限的研究文献当中，均未对化学动力学释热过程进行充分的孤立，因而难以得到较为明确的结论，仍存在一系列重要的问题亟待被解答。鉴于此，本文构建了可进行考虑了底层基元反应的多步总包化学动力学计算的任意拉格朗日算法平台，并在此基础上研究了气相化学反应与声学振荡的耦合机理，提出了冷流声学相似场的分析模型，探讨了化学动力学过程作为高频燃烧不稳定的控制因素的可能性。
2数值方法与模型
2.1数值算法想要深入研究气相化学反应释热过程对燃烧不稳定的作用机制，就必须要引入多步化学反应机理模型。然而，多步化学反应的时间尺度远小于流场的流动时间尺度，导致流动控制方程中的组分、能量输运方程出现了刚性化学动力学源项。这种流动与化学源项之间的刚性耦合可以通过运算分离算法消除［8］。本文采用任意拉格朗日欧拉（ALE）运算分离算法作为CFD核心算法，此算法将一个时间步长分为A，B，C三个阶段进行计算。前两个阶段为拉格朗日计算，不计算对流项，其中A阶段只进行化学动力学源项的计算，B阶段采用类似SIMPLE算法的半隐式迭代法求解压力-速度耦合场；最后C阶段为欧拉计算，求解对流项［9］。燃烧室内流场采用欧拉坐标系下的完全N-S方程进行描述，N-S控制方程的通用形式参见文献［10］。方程的空间离散为二阶精度，时间离散采用一阶向前差分。
2.2物理模型为了保证对化学动力学释热过程的孤立分析，湍流模型采用标准k-ε湍流模型。大涡模拟、分离涡模拟等瞬态湍流模型可以捕捉到诸如漩涡脱落这种强瞬态湍流结构，而这类瞬态结构可能和声学振荡发生周期性耦合诱发不稳定从而影响仿真结果的分析［7］，因而选取了雷诺时均的湍流模型。化学动力学模型采用通用有限速率化学反应模型。湍流与燃烧的相互作用作如下处理：流动为燃烧输运组分和参数，燃烧为流动提供组分源项和能量源项。化学反应机理采用正十二烷多步总包机理，此机理包含了34组分、31步的总包机理及底层的52组分、217步的骨架机理，由正十二烷的详细反应机理［11］通过直接关系图法（DRG）结合计算奇异值摄动法（CSP）的机理简化方法获得，可以考虑底层基元反应的准稳态（QSS）组分的浓度脉动。在求解QSS组分浓度时采用LQSSA方法，解耦QSS组分间的非线性耦合，并通过拓扑分析的结果使用高斯直接消除法求解QSS浓度线性方程组［12］。采用刚性积分求解器VODE解化学动力学方程组（1），并采用基于粒度细化的动态负载平衡技术搭建MPI并行环境以提升化学动力学计算效率［13］。
2.3仿真对象选用文献［14］的缩比实验平台进行仿真研究，选取其中编号为15D1的工况作为仿真工况，在实验当中，此工况表现出了典型的纵向不稳定燃烧。缩比燃烧室结构如图1所示。燃烧室头部为单喷嘴气液喷雾燃烧，中心为氧化剂入口，氧化剂由比重为42%的氧气与58%的水气构成，外侧环缝为煤油的旋流入口。实验当中的重要参数及结果如表1所示。在仿真时并未考虑液相过程，采用气气喷注的方式组织燃烧。气气喷注不同于气液喷注，会导致仿真流场的温度分布与实验情形差异明显，这会影响到燃烧室内释热与声学的时空交互作用从而可能无法获得实验当中的不稳定现象。然而，本文的目的并非复现实验现象，而是仅将此实验工况作为一种基础工况，用气气燃烧取代气液燃烧从而排除了液相的喷雾、蒸发等可能影响系统稳定性的因素，加之k-ε湍流模型的使用，最终孤立了化学动力学过程，使之成为燃烧释热的控制过程与决定系统稳定性的最重要因素。图2是本文所用的计算网格，网格数约为11万，经网格独立性验证，此计算网格满足仿真要求。监测点选在燃烧剧烈的上游区域。入口边界采用质量流量边界，出口边界外推。初始时刻高温氮气充斥整个计算区域以达到点火的目的。
3无声场激励下的仿真结果及分析
仿真计算过程中，为了减小分离误差的影响，仿真时间步长选取为1.0×10-7s。图3是监测点的压力变化曲线，仿真初始阶段监测点压力曲线振荡上升，在3ms附近达到峰值后开始振荡下降，同时振荡幅值逐渐衰减。在11ms后曲线趋于平稳，最终的稳态压力约为2.37MPa，与实验的稳态数据相差较小（见表1），但仿真工况表现出了线性稳定性。系统表现出稳定性的原因在于系统当中的声能激励因素（热声耦合效应）未能克服声能阻滞因素（边界及粘性对声能的耗散），后者关系到燃烧室的声学特性，本文的重点在于考察前者，即单纯的化学动力学过程控制的释热能否与声波发生耦合互激从而成为燃烧不稳定的潜在诱发机制。为了分析化学动力学过程作为燃烧不稳定的激励因素的可能性，本文通过向燃烧室中引入声场来考察气相化学反应与声学振荡的耦合机理。
4声场的激励方式
本文在稳态流场的基础上采用入口流量边界引入脉动量的方法在燃烧室内激励声波［7］，这种方法比较容易在边界设定扰动条件，且诱导效果明显，并对算法的稳定性和收敛性影响较小。为激励纵向声波，在氧化剂与燃料入口加入同频率、同相位的扰动。
5释热系统在有限幅值扰动激励下的响应
燃烧室在仿真工况下的一阶纵向振型约为1300Hz，此声学振型在实验当中表现出了最不稳定的性质，以此振频作为扰动信号的频率；流量扰动法的最大幅值可达到稳态流量的100%，以此作为扰动信号的振幅，考察此时燃烧室的压力振荡与释热响应。图4是燃烧室的压力与释热振荡曲线。压力曲线在第四周期发生“突跃”，在“突跃”后振荡逐渐增大直至以较大幅值稳定振荡，在“突跃”后，压力与释热每一周期的波动均存在陡峭前沿，这种陡峭前沿波更接近于真实燃烧不稳定发生时所观测到的波形［1］。释热曲线呈现出了高频小幅的振荡，这种振荡应为基元反应中的瞬态组分脉动所引发。此外，由Rayleigh准则可知：热声耦合发生正向激励的必要条件是释热与压力的振荡保持相位一致性。由于多步化学动力学系统在基元反应中存在着链传递和压力敏感反应等机制，因而在声场波动影响下的释热波动相较于声场波动发生了小幅相位偏移，但基本保持了相位一致，这种同相性意味着单纯由气相化学动力学控制的释热过程与声学过程存在着能够发生耦合激励的基础。为进一步明确化学动力学过程是否增强了声学振荡，需要一个对比参照的系统，这个系统应该提供声波的原始振荡强度，并且应保持除化学动力学过程以外的最大程度的近似，以较好地剥离化学动力学因素的影响从而方便对其单独研究。为此，本文建立了冷流声学相似场的对比模型。对应于反应流流场，在相同质量流量边界的基础上，考虑化学动力学的组分源项但不加入化学动力学能量源项从而建立冷流流场，两者最大的区别在于是否存在释热。为了使冷流的流场平均声速和平均压力与反应流相当，提升入口边界的初始温度。如此一来，两者的固有振型一致、质量流量和平均室压相同，唯一的区别在于反应流通过化学动力学释热获得温度而冷流相似场在入口处直接给定。这样，就可以量化释热过程对声学过程的激励效应的大小。图5对比了相同振幅扰动下的反应流压力响应和其冷流声学相似场的压力响应。冷流声学相似场压力振荡的最终幅值与反应流突跃前的振荡幅值基本一致，因此可以断定化学动力学的释热过程确实增强了压力振荡。比较图4中的压力曲线和图5（a）可以发现，在反应流的振荡达到稳定后，较其冷流声学相似场的振幅增强约300%。多步化学动力学过程与声学过程耦合发生了相互激励，而这种相互激励的产生可能与“突跃”和“陡峭前沿”有着密切的联系，也有可能与瞬态组分脉动所引发的高频释热脉动有关。
6释热系统在小振幅扰动激励下的响应
取扰动幅值为0.5%，此小振幅下的声学过程基本是线性的［15］。图6对比了线性声场中的反应流场与其冷流声学相似场的压力波动及频谱。反应流与其冷流声学相似场对线性扰动的压力波动响应基本一致，化学动力学释热过程未能与声学过程发生明显的耦合激励。在线性扰动下，燃烧室的压力波形更加趋近于标准的正弦波形，不再具有“突跃”及“陡峭前沿峰”等非线性现象。图7对比了线性与非线性扰动下的系统释热响应。线性扰动下与非线性扰动下的释热曲线均存在着高频小幅振荡，然而线性扰动下并未发生明显的热声耦合激励，因此，高频小幅的释热振荡并不是声波放大的诱因。由于这种高频小幅的释热振荡能量太低且频率太高导致了压力波无法对其进行充分的响应，因而与高频脉动的释热曲线相对的压力曲线十分光滑。
7分析与讨论
在有限幅值扰动激励的非线性声场中，压力波动“突跃”后发展成为具有陡峭前沿的压力振荡，化学反应释热与声波发生了耦合激励；而在小幅值扰动激励的线性声场中，化学反应释热与声波并未发生明显互激。在两种情形下，两者的释热过程均是以小幅高频脉动进行的，前者存在着后者所没有的非线性现象，前者发生热声激励耦合而后者没有，因此可以基本认为：化学动力学释热与声学过程的相互激励作用来自于“突跃”和“陡峭前沿”，瞬态组分的高频脉动对声学过程并无影响。在非线性声学振荡下的系统的释热响应之所以会发生“突跃”，可能与气相化学动力学控制的释热系统自身蕴含的分岔特性的相关。化学动力学系统存在着“点火延迟”、“可燃极限”等概念，这些概念当中蕴含着发生释热分岔的可能性。在化学动力学释热过程中，存在起链、链传递等子过程，因此会出现以温度迅速跃升为标志的点火点。图8给出了在混合比为1.0，初温1200K条件下，环境压力分别为2MPa和4MPa时，简化机理在0-D匀质反应器中的温度对时间的变化曲线。由图可知，在不同压力下，温度曲线会出现平移，压力越高，曲线向左平移幅度越大。以拉格朗日法的观点来看，图中的时间轴近似代表了燃烧室中的空间位置。如此一来，在竖直方向划一直线交不同环境压力下的曲线于两个交点，则这两点代表了同一空间位置在压力波动下的温度响应，而这种温度响应直接反映了释热响应。若两个交点分别处于各自曲线的未燃区和已燃区，则压力的波动就造成了燃烧室中某处的燃烧行为发生了分岔。图中两曲线所围成的近似矩形的区域为此压力振荡下的释热响应敏感区域，压力越高曲线向右平移越大，也就意味着敏感区域会随着压力波动的增大而扩大；同时，在同一空间区域的释热波动也会增大。在非线性声场下出现了的“突跃”，可能就源于上游某区域由于压力的大幅振荡所导致的局部释热分岔，这种分岔反过来激励了压力波的振荡，从而形成正反馈，出现了热声耦合激励的现象。之所以线性声场下热声效应不明显，其原因可能在于小波动线性条件下压力接近的两条曲线的敏感区域基本不存在从而无法发生剧烈的释热分岔。
8结论
化学热力学的应用范文第2篇
关键词：《材料热力学》；教学效果；教学内容；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标志码：A ？摇文章编号：1674-9324（2013）41-0107-02
《材料热力学》是材料科学与工程专业的专业基础课，是一门理论性和应用性较强的课程。通过《材料热力学》课程的学习，学生能够掌握《材料热力学》的基本概念和理论，并利用《材料热力学》进行相变、表面和界面等的分析和研究。然而《材料热力学》具有概念多而易混淆、公式多而难记忆以及内容抽象难懂等特点，学生系统掌握该课程的内容比较困难，本文尝试对教学内容和教学方法等方面进行探索，以提高《材料热力学》课程的教学效果。
一、教学内容与实践相结合
1.突出应用目的。本科《材料热力学》教学重点在于热力学基本原理及其在相平衡、表面和界面等领域的应用。由于学生在学习材料热力学之前，已经学习过物理化学等课程，因此讲授《材料热力学》时，应将重点放在运用热力学基本原理解决材料科学中的问题这一方面。在热力学基本原理这部分内容的讲授中，为了理论体系的完整性，我一般会对重要的定理和公式进行简单地推导，使同学掌握基本原理的来龙去脉，而对于其他的定理和公式，我一般简单分析一下它们的内涵和适用范围，不做详细的推导。我把热力学原理在材料科学中的应用作为我的讲课重点。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中有很多例题，但是我重点挑选与相变有关的典型例题来讲解，比如：选择熔化和凝固过程的热量计算以说明热力学第一定律在计算相变热效应的应用，选择熔化和凝固过程的熵变或自由能变化计算以说明热力学第二定律在判断相变方向的应用等，以突出《材料热力学》课程以热力学基本原理解决材料科学问题的讲课重点。
2.增加科研和生产方面的内容。笔者经过几年的材料热力学的教学实践，总结出：在教学过程中教师必须将科研和工程案例与教学内容相结合，这样不仅让学生在科研和工程案例中理解材料热力学的基本概念和原理，同时了解理论对实践的重要指导作用，激发学生的学习兴趣。我们学院的一些学生承担本校激光研究所钛基激光熔覆层方面的大学生创新项目，我在讲解自由能判据这部分内容时会引入这方面的实例，比如：为什么添加B4C的镍粉在高能激光照射下会在钛基体中形成TiB和TiC增强相。我的一个科研项目是有关碳纤维/铜基滑动轴承材料粉末冶金制备工艺的，我将这部分科研内容引入到表面和界面这一章中，向同学们讲授为什么粉末冶金法制备碳纤维/铜基复合涂层时要使用表面预镀铜的碳纤维为原料。我还经常将企业的生产内容融入到《材料热力学》的教学中，比如我将人造金刚石的生产过程引入到封闭体系的热力学基本方程这一章的教学中，以说明公式（？坠G/？坠T）P=-S和（？坠G/？坠P）T=V的应用；我还将氧化锆生产过程中氯化铵废水的处理和循环使用这部分内容引入到渗透压的教学内容中，说明如何根据氯化铵废水中离子的浓度计算出渗透压，进而为反渗透设备中泵的选型提供依据。
3.增加实验教学的内容。实验教学是高等学校教学中的重要内容，具有直观性、实践性和客观性的特点。以实验作为主要手段进行的教学活动，可以揭示自然科学现象、验证科学规律、探索未知、发展科学，更为重要的是在实验中能够培养学生务实求真的科学态度。我使用江伯鸿编写的《材料热力学》这本教材中没有实验教学方面的内容，为了弥补这一缺陷，我增加了“差示扫描量热法测量材料的比热容”和“计算机在相图计算中的应用”等实验内容。《材料热力学》的实验教学应达到以下目标：①帮助学生掌握《材料热力学》的基本原理；②让学生初步了解科学研究的方法；③培养学生自主解决问题的能力。因此在实验教学过程中，①强调实验课前的预习，要求学生根据实验指导书写出预习报告；②实验过程中的检查学生操作情况，要求学生独立操作，如实记录实验数据；③教师课后批阅实验报告，鼓励学生在实验过程中发现问题、提出问题和解决问题。
二、改进教学方法
1.讨论式教学。我会结合刚讲授过《材料热力学》知识，设计一些与科研和工程密切相关的问题，让学生以小组的形式相互讨论共同完成。在下次上课时，我会让某个或某几个小组推举同学上台讲解，其他同学提问，最后老师点评和总结，以培养学生自主解决问题能力。
2.多媒体教学。笔者在讲授《材料热力学》时，通常采用板书的形式，因为我觉得板书能将公式的推导和例题的计算一步一步清晰地展现出来，让同学们能清楚地了解老师的解题思路。采用多媒体教学能提供形象、生动、直观的画面和视频，增加信息量，节约教师板书和画图的时间，提高讲课效率，我曾经尝试过使用多媒体来展示解题过程，但效果并不理想。近年来，我倾向于以板书为主，多媒体为辅的教学方法。我一般将课堂要讲述的主干内容用板书简单、扼要、清晰地列在黑板上，使同学跟上老师的讲课思路，对于一些抽象难懂的概念，我经常找一些图片和视频，使讲授的知识更直观、形象和生动。
三、改进考试方法
考试是知识水平的鉴定方法，大学阶段的考试成绩与学生评优、毕业甚至就业直接相关，学生的学习过程大多围绕考试这根指挥棒转，因此如何用好考试这根指挥棒，对提高教学效果至关重要。我倾向《材料热力学》采用开卷考试的考核方式，在试题的设计上，避免出一些填空和名词解释等一些死记硬背的题目，而出一些判断题和选择题等灵活运用热力学基本原理解决问题的题目，问答题和计算题都是与材料科学具体问题相关联的，必须掌握热力学基本原理及其实际应用才能正确解答。我希望通过这种考核方式，改变学生在应试教育下形成的学习方式，明确学习目的，提高自身运用知识解决实际问题的能力，养成独立思考的习惯。
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化学热力学的应用范文第3篇
论文关键词：MCR，WebService，架构模式，数值计算，热力学数据库
1引言
随着Internet技术的不断发展。基于浏览器/Web服务器结构模型（即B/S结构模型）的热力学数据库得到了广泛的应用。在这种结构模型下，一部分事务逻辑在客户端浏览器实现，大部分事务逻辑在热力学数据库服务器端实现。然而，由于在热力学数据库的应用中涉及到大量的数值计算，会大量消耗服务器CPU和内存资源，从而导致热力学数据库服务器的负载加重，增大响应时间，因此，如不能很好地解决数值计算的速度问题，系统整体性能将受到较大的影响。
同时，在热力学数据库的开发过程中，开发人员不仅要集中精力将热力学数据库中的数学模型转换为计算机控制代码，而且还需要花费大量精力去实现、验证、优化数学模型中所涉及的数值计算方法。从而加大了热力学数据库的开发周期和难度。
本文针对Web热力学数据库数值计算的特点和对性能的要求。使用面向服务的架构思想，提出了基于MCR框架的Web热力学数据库架构模式，实现了Web热力学数据库计算模型控制与数值计算过程的分离，大大提高了系统数值计算能力和速度，同时简化了热力学数据库系统实现数值计算方法的过程。
2Web热力学数据库架构模式研究
随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，Web热力学数据库已成为当前热力学数据库技术发展的主流并得到广泛应用。但是围绕着提高Web热力学数据库系统性能的研究依然没有停止。这些研究主要集中在两个方面，一方面是对热力学数学模型的理论研究[1][2]数值计算，目的在于建立解决特定热力学问题的正确、高效的数学模型。另一方面是对Web热力学数据库架构模式的研究[3][4]，目的在于降低系统开发难度和缩短系统开发周期，优化网络计算性能，提高应用系统的效率和共享能力，在这类研究中，普遍采用了多层架构模式思想，将系统不同类型的工作任务分配到不同的层中执行，这样不仅便于网络用户使用热力学数据库，同时也便于系统的协同开发，提高了系统代码的复用性，便于业务逻辑的共享、重组和系统的维护。
2.1 三层架构模式的Web热力学数据库
图1. Architecture ofthree-tiers
在图1所示的三层架构模式中，客户端采用浏览器作为的系统界面访问工具。数据库服务器提供高效、安全的数据存储操作。WebServer则实现整个系统的控制核心期刊。
三层架构模式主要解决了热力学数据库业务逻辑控制与数据存储控制的分离，实现了“瘦客户端”访问，便于用户使用，系统部署简单，维护成本低。从图1可以看出，热力学数据库系统的工作负载主要集中在Web Server，从而导致WebServer负载过重，成为影响系统性能的瓶颈。
2.2 n层架构模式的Web热力学数据库
图2. Architecture of n-tiers
为了减轻三层架构模式下Web热力学数据库系统Web Server的工作负载，系统架构师们提出了如图2所示的n层架构模式。其中，业务逻辑层负责热力学数据库的核心功能----计算模型控制和数值计算。表示层负责用户界面控制，数据访问层负责热力学数据库的访问并屏蔽使用数据库的细节信息。
采用n层架构模式使整个系统的工作负载分布到不同的服务器中，避免因某台服务器负载过重而成为影响系统性能的瓶颈，也便于系统的协同开发和维护，增加了系统部署的灵活性。例如，能够在业务逻辑层利用负载均衡技术构建应用服务器集群，解决复杂业务逻辑控制和大量用户并发访问的性能问题，在数据访问层引入中间件技术，解决高效访问数据库的问题。
3基于MCR框架的Web热力学数据库架构模式
虽然n层架构模式的Web热力学数据库具有很多优势，但是在具体实现架构模式中的核心层----业务逻辑层时，面临两个比较棘手的问题。
一是如何实现热力学数据库数学模型中的数值计算，例如积分、方程组求解等，这需要热力学数据库开发人员耗费大量的时间和精力去编程实现各种相关数值计算求解程序。如果能够在系统中直接引用目前成熟的科学计算软件来解决数值计算求解问题，将大大简化数值计算实现过程[5][6]。
二是如何提高数值计算的效率。数值计算往往会消耗计算机大量的内存和CPU资源，加重应用服务器的负载，从而导致系统的响应时间增长，成为影响系统性能的瓶颈。如果能够将数值计算过程从业务逻辑层中分离出来，将其转移到专用的数值计算服务器中数值计算，不仅能够减轻应用服务器的负载，而且专用的数值计算服务器能提供更好的执行效率，从而改善系统的性能[7][8]。
本文提出的基于MCR框架的Web热力学数据库架构模式能够很好的解决以上两个问题。该架构模式的核心思想是利用MCR框架构建高性能的、易于使用的热力学数据库数值计算引擎，避免了在热力学数据库的开发过程中直接编程实现数值计算算法，同时使热力学数据库计算模型控制与热力学数据库数值计算过程分离，从而达到简化热力学数据库的开发过程和提高系统性能的目的。
MCR（MATLAB CompilerRuntime）是建立在MATLAB基础上的一个独立的应用框架，能够执行MATLAB文件和函数。而MATLAB是世界上公认的功能强大、应用广泛的科学计算软件,具有丰富的数值计算工具和高效的数值计算效率，占据世界上数值计算软件的主导地位。利用MATLAB提供的MATLAB Builder NE编译工具，能够将MATLAB数值计算函数转换成MCR组件（.net类）。因此，在.net框架中安装MCR就能够实现.net应用调用MCR组件（.net类），进而可以在程序中直接使用MATLAB强大的数值计算功能。为此，本文扩展了n层架构模式，构建了如图3所示的基于MCR框架的Web热力学数据库架构模式。
图3. Architecture of Basedon MCR
从图3可以看出，数值计算引擎将数值计算功能从业务逻辑层中独立出来，数值计算引擎的构建采用了Service-OrientedArchitecture（面向服务体系架构）的思想，利用Web Service技术实现SOA。SOA 是一种IT体系结构样式，支持将业务作为链接服务或可重复业务任务进行集成，可在需要时通过网络访问这些服务和任务。SOA将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是采用中立的基于XML的语言（也称为Web服务描述语言，Web Services Definition Language，WSDL）定义的，它独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得不同类型的业务逻辑层可以以一种统一和通用的方式与数值计算引擎进行交互，便于各种异构热力学数据库业务逻辑层与数值计算引擎的集成和复用，同时也能够利用服务群集技术构建数值计算引擎集群，动态均衡数值计算负载，满足网络高并发、高密集的数值计算需求，优化了系统性能，大大提高了Web热力学数据库数值计算引擎的计算能力和速度。
1)数值计算引擎接口
对外提供统一的热力学数值服务接口，例如焓、熵计算等。只要通信双方定义好服务契约，数值计算引擎可以为各种同构或者异构系统提供热力学数值计算服务，从而使数值计算引擎能够实现跨系统的业务集成和复用。
2)数值计算类
实现数值计算引擎接口定义的具体的热力学数值计算方法，这些方法封装了各种热力学基本计算公式的求解过程，例如求解焓、熵的基本积分公式等。并在方法中调用MCR组件（.net类）利用MATLAB完成具体的数值计算过程。例如定积分运算或矩阵运算等核心期刊。此外，数值计算类还要负责本地调用语言数据类型与MATLAB数据类型的转换，以及错误处理等辅助工作。
3)MCR
根据数值计算类的调用请求，执行相应的MATLAB函数。
4基于MCR框架的Web热力学数据库架构模式的优点
在基于MCR框架的Web热力学数据库架构模式中，建立数值计算引擎将数值计算功能从热力学数据库业务逻辑层中分离出来，具有以下优点。
1)采用SOA思想，实现了业务逻辑层与数值计算引擎之间的松耦合数值计算，便于各种异构热力学数据库共享数值计算引擎服务。
2)采用SOA思想，能够使用服务器集群技术建立数值计算服务器群，通过负载均衡技术分担各个数值计算引擎的工作负荷，支持高密集数值计算，可灵活的增减系统数值计算能力。
3)减轻了热力学数据库应用服务器的负载，有利于提高系统的整体性能。
4)热力学数据库的业务逻辑层只关注如何使用数值计算服务，而不关心如何实现数值计算，简化了业务逻辑层的实现过程，提高了热力学数据库系统开发效率。
5)能够充分利用MATLAB丰富的数值计算工具，屏蔽了使用MATLAB的复杂的过程。同时借助于MATLAB卓越的数值计算性能提高了数值计算效率。
6)可对数值计算引擎做进一步的优化。如直接利用MATLAB并行计算功能构建多核、多处理器并行计算服务器。或利用MATLAB分布式并行计算功能构建MATLAB分布式计算计算机集群。进一步提高数值计算引擎的数值计算速度。
5结束语
在冶金、化工领域的生产和研究中，热力学数据库作为基本工具得到了越来越广泛的应用，对热力学数据库的计算性能要求也越来越高，而系统的架构模式是影响热力学数据库系统性能的关键因素之一，是热力学数据库系统软件开发的基础。本文分析了三层和n层架构模式的Web热力学数据库所存在的问题，根据热力学数据库数值计算的特点，在n层架构模式的基础上，提出了基于MCR框架的、多层、分布式计算的Web热力学数据库架构模式，可以方便的实现对MATLAB计算功能的调用而无需了解具体的技术细节，从而大大简化了Web热力学数据库开发过程中实现数值计算功能过程，同时也为Web热力学数据库在重负载网络环境下的应用和异构热力学数据库共享热力学数值计算服务提供了一种可行方案。
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[4]陈占恒,邢献然,黄小卫,李红卫.稀土化合物热力学网络数据库的研究开发[J].稀土,2005,26(2):48-52
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化学热力学的应用范文第4篇
关键词：化学反应原理；经典热力学；学科性认识
文章编号：1008-0546（2012）03-0002-02 中图分类号：G632．41 文献标识码：B
doi：10.3969／j．issn．1008－0546．2012．03．001
《普通高中化学课程标准（实验）》增加了许多大学普通化学的基本概念和应用的内容，其中《化学反应原理》模块增加了大量的经典热力学的内容。有关该内容的教学，教师颇感困惑的是如何把握和控制知识要求的深广度。通过教师培训的交流与研讨发现，这一困惑的根源，很大程度上在于教师自身对热力学的基本概念的认识模糊，甚至存在认识错误，这导致了教师在教学目标的把握和对热力学抽象概念的通俗简练的教学表达上，少讲讲不透，多讲又讲不清的局面。本文试图对《化学反应原理》模块中若干热力问题进行探讨，以期为中学化学教师的教学提供参考。
一、课程标准为什么要引入焓的概念
高中化学课程标准为何要引入焓的概念，是化学反应热的教学中困扰广大教师的一个问题。之所以产生困惑，是因为学生已有“热量”这一前概念，即体系间由于温差导致的能量转化所传递的能量：Q＝ C・m・ΔT。而反应热是热量的一种，为何在课程标准中要引入焓变ΔH来表示？ΔH与Q有何不同？
焓是经典热力学体系中的一个能量参数，表达式为：H＝U＋pV。其物理意义是指体系所具有的内能和压力势能之和。因此，在恒温和恒压条件下若进行能量交换（此时V≠0，pV项有意义），它就代表体系具有的全部热能；如果是在恒温和恒容条件下（此时pV＝0），那么体系具有的全部热能就是体系的内能U。可见，焓作为热能是体系状态的一种性质。就像机械能是运动状态的一个性质参数一样。当体系的状态确定后，状态性质就是确定的。正因为如此，经典热力学在研究体系变化前后两个状态之间的能量变化时，可以通过两个状态之间的热能差得到，而无需考虑体系变化经过了什么过程。因此，经典热力学研究和得到的结论，都建立在对状态性质的应用上。如果不是状态性质，自然不符合经典热力学结论的条件。
焓H是体系状态的性质，焓变ΔH也自然是状态的性质。但热量Q却不是，它是过程中由于温差传递的热量值，必须伴随过程变化才具有。热量与焓变虽然数值上可能相同，但概念之间却有差别，物理意义完全不同。就像势能差可以转化于做功，但有势能差并不代表一定有做功。此外，热能传递过程的条件不同，热量表示也不一样：在恒温恒压条件下Q ＝ΔH；而在恒温恒容条件下，热量就表现为内能差Q＝ΔU。
因此，引入焓变ΔH来表示特定条件下的反应热，而不用Q，规范了经典热力学概念的严谨性，为教材后续的盖斯定律等热力学理论的推导奠定了基础。因此，教师在教学中必须注意厘清以下概念间的区别：
①焓变是反应热，但不能说反应热就是焓变。只有当恒温恒压条件下的反应热才叫做焓变Qp＝ΔH。比如，鲁科版“资料在线”和苏教版“活动与探究”都引用了弹式量热计测定物质燃烧热的拓展知识，有教师想当然地认为该实验结果就是ΔH。其实，它是在恒温恒容条件下测定的，只是恒容燃烧反应的反应热QC＝ ΔU，要得到ΔH还需要经过换算而获得的：ΔH ＝ ΔU ＋p外V ＝ QC ＋ΔnRT。
②反应的热量Q是实际伴随反应以热形式体现的能量值，而焓变则仅仅表示两个状态之间的热能差值。焓变可以转化成热量，但并不代表它一定是热量。盖斯定律的推导正是基于此。在反应设计上可以抛开反应是否会真实发生的考虑，仅仅强调变化状态之间的逻辑合理性即可。由此可见，盖斯定律显然不能用过程函数Q来推导，这是新教材引入焓的概念在教材设计上的科学性考虑。
二、如何理解熵与混乱度的关系
经典热力学在热机效率的研究中发现，体系在过程中吸收或放出的热量与其温度的熵dS＝（称作热温熵），也是体系状态的一个性质。课程标准本身对熵的概念并未作要求，但是，大多数教材在化学反应方向判断的教学内容中，都对其物理意义进行了简单描述，即熵是表示体系混乱度的一个物理量。然而，如何理解体系“混乱度”的热力学意义以及“混乱度越大，体系就越稳定”的热力学思想，许多教师存在较大的曲解，以致在教学中常出现想当然地套用宏观社会现象加以解释的现象，比如“就像一个社会总是乱象纷争、合久必分，分久必合一样，这就是混乱度越大，体系越稳定”等错误的解释。
其实，热力学所指的混乱度，是一个统计学意义上的概念，需要通过将微观分子的行为与宏观热力学性质联系起来理解。以一个孤立容器中的理想气体的自由膨胀为例，若将容器划分为相等的A―B两部分，容器中有四个不同的理想气体分子，则气体分子在容器中自由膨胀后可能会呈现何种分布状态？从统计学来看，共有24个即16种微观的可能，但宏观的表现却只有五种即 4｜0、3｜1、2｜2、 1｜3、0｜4的分布状态，分别对应的概率是1、4、6、4、1。其中4｜0或0｜4分布的概率最低，而2｜2分布的概率为6最高。它说明，我们看到的每一个体系宏观状态其实都包含有不同个微观的分子分布行为。放大到有n个总分子数和总能量的一个孤立系统，在其出现的每一个微观状态的几率都相等的统计学考虑下，某个宏观状态所包含的微观状态数目越多，这种宏观状态出现的几率就越大。经典热力学将这种宏观状态所包含的微观状态数，称为热力学几率，即热力学所谓的“混乱度”，也就是熵S的物理意义。
因此，“混乱度越大，体系就越稳定”的经典热力学思想，是指若一个孤立体系在变化过程中有多种不同的宏观热力学状态表现时，则包含微观状态数越多的宏观状态，即混乱度越大的，其出现并保持这种宏观状态的可能性也越大，也就是相对越稳定的状态。某种体系状态的熵越大，说明该状态包含的微观状态数越多，分布越无序、越混乱，这种状态的热力学表现就越稳定（热力学稳定）。
由此可见，对熵是“混乱度的表示”的理解和教学，一定要把握好熵的物理意义本质，牢牢抓住“状态出现的几率大小”这一主线。它与社会学领域的“混乱”概念不能混为一谈，否则，可能出现原则性和科学性的错误。
三、如何理解经典热力学的“自发过程”
所谓自发反应是指，“在一定条件下无需外界帮助就能自动进行的反应”。有些教师提出，“对反应CaCO3（s）＝CaO（s）＋CO2（g）来讲，常温下是非自发的，但通过加热能够实现反应自发进行，岂不是借助外界帮助而实现自发反应吗？”由此可见，厘清“反应条件”和“外界帮助”概念之间的区别，是教师正确开展相关知识教学的基础。所谓反应条件，是反应发生所需要的体系环境，如温度、压力等。而所谓外界帮助，则是推动反应进行的非环境因素，比如通电等。条件改变将改变一个反应体系的起始状态的性质，而外界帮助则改变了反应自身行为，并未改变其状态。反应中的加温，只是在不断地改变反应的条件，使反应体系的状态不断改变，当温度达到某一点，即自发变化所需要的体系状态要求时，对反应而言此时的条件是确定的，体系状态不需其他帮助就能自发将反应（或变化过程）进行下去。因此，改变温度，仅仅是为创造一个适合反应自发进行的体系状态的助力，并未改变反应自身行为。
在化学反应自发方向的理解上，也有教师提出“对可逆反应来说，正反应是自发的，则逆反应肯定是非自发的，为何还有可逆反应发生？”这类疑问，反映出部分教师对经典热力学的“自发过程”在理解和认识上的误区。热力学所谓的“反应自发方向”，仅仅是对某一状态可能的变化方向趋势做出判断，而非对一个物质及其反应性质的认定。例如，在恒温恒容条件下，N2O4和NO2之间可发生N2O4（g）2NO2（g）的可逆转化，这是物质的固有性质。而热力学对该反应自发方向的判断，仅仅针对如果存在一种N2O4或NO2混合的反应体系状态，该状态是稳定保持、还是会朝哪个方向进一步反应转化，通过两两状态之间的ΔH和ΔS可以得到的结论。因此，理解并开展热力学知识教学时，必须把握好学科研究的特点，即热力学是紧紧围绕体系状态对其可能发生变化的规律做出阐释。
通过上述问题也引出一些教学的思考，即在敞开体系中的化学反应方向判断的教学中，是否该引入吉布斯自由能的数学表达式ΔH－T×ΔS作为综合的判据。基于课程标准要求，苏教版教材未做引入，是从学生认知角度考虑，简化地以焓变减小和熵增因素加以判断。然而，其弊端在上述问题中体现，即无法全面解释反应推动力的问题，会使学生和教师从反应方向判断的问题上形成对化学的片面定性。引之则更全面并清晰地表达出反应自发方向的真正推动力。当ΔH－T×ΔS＜0时，正向反应的推动力大，反应正向进行；当ΔH－T×ΔS＝0时，反应没有推动力，因此正、逆反应达到平衡；当ΔH－T×ΔS＞0时，反应就朝逆方向进行。并且平衡时只要微观状态下的ΔH－T×ΔS稍有变化，反应就有推动力，平衡就将打破而产生移动。由此，可逆反应有关反应方向和平衡移动的原理困惑就迎刃而解了。
参考文献
［1］ 教育部．普通高中化学新课程标准（实验）［S］．北京：人民教育出版社，2003
［2］ 王晶．普通高中课程标准实验教科书・化学［M］．北京：人民教育出版社，2005
［3］ 王磊．普通高中课程标准实验教科书・化学［M］．济南：山东科技出版社，2005
化学热力学的应用范文第5篇
关键词：熵增原理 熵的应用 热力学状态函数
高中化学新课标选修4化学反应原理中引入了熵判据，利用熵增原理判断化学反应过程的方向。熵的概念和原理来源于物理化学但已经不仅仅是个单纯的物理化学问题，它可以运用的范围相当广。150年前，科学家在发现热力学第一定律之后不久，又在研究热机效率的理论时发现，在卡诺热机完成一个循环时，它不仅遵守能量守恒定律，而且工作物质吸收的热量Q与当时的绝对温度T （T= t+273.16℃， t为摄氏温标）的比值之和∑（Q/T）为零（Q， T均不为零）。鉴于以上物理量有这一特性，1865年德国科学家克劳修斯就把可逆过程中工作物质吸收的热量Q与绝对温度T之比值称为Entropy （即熵）。从此，一个新概念伴随着热力学第二定律就在欧洲诞生了，Entropy很快在热力学和统计力学领域内占据了重要地位。1923年德国科学家普朗克来我国讲学时，在我国字典里还找不到与之对应的汉字，胡刚复教授翻译时就在商字的上加了个火字（表示与热有关）来代表Entropy，从而在我国的汉字库里出现了“熵”字。[1]
一、波尔兹曼熵
我们把系统的任一宏观状态所对应的微观状态成为热力学概率或系统的微观量子态，并记做Ω，Ω越大说明系统内分子运动的无序性越大，最大的状态既是系统所处的平衡状态。一般来说，热力学概率Ω是非常大的。玻尔兹曼用一个新的状态函数——熵S来表示系统无序性的大小。定义熵与热力学概率之间的关系为S=klnΩ，熵的本质意义与热力学概率Ω一样，熵S是系统内分子热力学运动无序性或混乱度的一种量度。在绝对零度（T=0）条件下，系统的熵S=0，此时系统内分子的无规则运动完全停止，系统的无序性达到零。熵是系统状态的单值函数，系统从状态Ⅰ变化到Ⅱ时，熵的增量只决定于初、末状态，而与其间的变化过程无关。即S=S2-S1= klnΩ2- klnΩ1= kln（Ω2/ Ω1）波尔兹曼还给出了负熵的概念。“-S”称为“负熵”，与熵的意义相反，“负熵”是系统有序度的量度。[3]玻尔兹曼表明了熵是同热力学概率相联系的，揭示了宏观态与微观态之间的联系，指出了热力学第二定律的统计本质：熵增加原理所表示的孤立系统中热力学过程的方向性，正相应于系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态过渡，平衡态热力学概率最大，对应于熵取极大值的状态，熵自发地减小的过程不是绝对不可能的，不过概率非常小而已。
二、克劳修斯熵
1854 年克劳修斯（Clausius）发表了《力学的热理论的第二定律的另一种形式》的论文，给出了可逆循环过程中热力学第二定律的数学表示形式：
从而引入了一个新的后来定名为熵的状态参量。1865年他发表了《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》的论文，把这一新的状态参量正式定名为熵。并将上述积分推广到更一般的循环过程，得出了热力学第二定律的数学表示形式：
等号对应于可逆过程，不等号对应于不可逆过程。由此熵的定义为：
式中的a、b 表示始末两个状态，Sa、Sb 为始末两个状态的熵，dQ为系统吸收的热量，T为热源的温度，可逆过程中T是系统的温度。当系统经历绝热过程或系统是孤立的时侯，dQ=0。此时有
即有熵增原理：孤立系统或绝热过程熵总是增加的， 由此定义的熵称克劳修斯熵，或热力学熵。熵是一个状态函数， 是热力学宏观量。对绝热过程和孤立系统中所发生的过程， 由熵函数的数值可判定过程进行的方向和限度。
三、由波尔兹曼熵推出克劳修斯熵
波尔兹曼关系计算出的孤立系统单原子理想气体满足关系ε=cp[4]-[5]的经典理想气体熵为：
式（11）正是克劳修斯熵的表达式，即克劳修斯熵可由波尔兹曼熵推出。
参考文献：
[1]胡霞，任佩瑜.基于管理熵的企业增长战略评价体系研究[C].四川大学企业管理硕士学位论文，2004-03-31.
[2]特德·霍华德.熵：一种新的世界观[M].上海译文出版社，1987.
[3]王金艳.浅析熵的物理意义及两个常见热力学过程中熵增的计算[N].哈尔滨师范大学自然科学学报，2005，21（5）：38-40.
化学热力学的应用范文第6篇
化学热力学是物理化学和热力学的一个分支交叉学科，它把热力学的基本原理用于研究化学变化以及与之相伴随的物理现象。化学热力学主要研究宏观系统在各种条件下的平衡行为，如能量平衡、化学平衡、相平衡、吸附平衡等，以及各种条件变化对平衡的影响。化学热力学对生产实际和科学实验起着重大的指导作用。
化学热力学的研究方法和手段已从传统的化学、化工领域渗透扩展到生物、材料、工程等众多新兴领域。
本书是化学热力学丛书的第一册。
这套化学热力学丛书是建立在普通热力学和化学热力学基本概念、知识基础之上的深化、扩展和补充。具有理工科背景的读者已接触过热力学的基本原理和函数，可以处理无电场作用和无表面效应的、理想介质中简单的相平衡和化学平衡问题。
内容难度介于导论型课程和专题研究之间，为化学和材料科学相关学科的深入研究打下坚实基础。同时讨论微观（统计热力学）和宏观两个尺度下的模拟，以及两者之间的密切联系。将这些模型应用于气、液、固相，既包括纯物质的简单情形，也拓展到多组分复杂体系。
本册书内容分为两部分。
前半部分篇幅是关于相模拟工具、势能特征函数的构建，由不同的实验数据确定特征矩阵的微观方法，利用分子对象的统计学、微正则和正则空间进行相的微观模拟，由分子数据的计算状态函数进而求取相的特征函数。
后半部分是关于气相的模拟。首先用状态方程法、通用压缩因子图和逸度的概念进行纯气相的宏观和微观模拟；第二维里系数的计算是统计热力学微观模拟的初步应用；最后详细描述了混合气体的微观和宏观模拟，还包括凝聚溶液模型和状态方程的混合模型等内容。
全书内容共分为8章和5个附录：1. 热力学函数和变量；2. 相的宏观模拟；3. 多组分相――溶液； 4. 对象集合的统计学；5. 正则系统和热力学函数；6. 分子配分函数；7. 纯的真实气体；8. 气体混合物。
本书可作为化学、物理、过程工程，材料等专业本科生和硕士、博士研究生的教材，同时也是从事热力学相关基础和应用研究的专业技术人员的重要参考书。
陈宏刚，教授
（华北电力大学）
Chen Honggang， Professor
（North China Electric Power University）国外科技新书评介2016年第7期（总第351期）计算机计算机国外科技新书评介2016年第7期（总第351期）J ean-Charies Pomerol et al
MOOCs
Design， Use and Business Models
2015
http：///book/
化学热力学的应用范文第7篇
知识目标
使学生了解化学反应中的能量变化，理解放热反应和吸热反应；
介绍燃料充分燃烧的条件，培养学生节约能源和保护环境意识；
通过学习和查阅资料，使学生了解我国及世界能源储备和开发；
通过布置研究性课题，进一步认识化学与生产、科学研究及生活的紧密联系。
能力目标
通过对化学反应中的能量变化的学习，培养学生综合运用知识发现问题及解决问题的能力，提高自学能力和创新能力。
情感目标
在人类对能源的需求量越来越大的现在，开发利用新能源具有重要的意义，借此培养学生学会知识的迁移、扩展是很难得的。注意科学开发与保护环境的关系。
教学建议
教材分析
本节是第一章第三节《化学反应中的能量变化》。可以讲是高中化学理论联系实际的开篇，它起着连接初高中化学的纽带作用。本节教学介绍的理论主要用于联系实际，分别从氧化还原反应、离子反应和能量变化等不同反应类型、不同反应过程及实质加以联系和理解，使学生在感性认识中对知识深化和总结，同时提高自身的综合能力。
教法建议
以探究学习为主。教师是组织者、学习上的服务者、探究学习的引导者和问题的提出者。建议教材安排的两个演示实验改为课上的分组实验，内容不多，准备方便。这样做既能充分体现以学生为主体和调动学生探究学习的积极性，又能培养学生的实际操作技能。教师不能用化学课件代替化学实验，学生亲身实验所得实验现象最具说服力。教学思路：影像远古人用火引入课题化学反应中的能量变化学生实验验证和探讨理论依据确定吸热反应和放热反应的概念讨论燃料充分燃烧的条件和保护环境能源的展望和人类的进步布置研究学习和自学内容。
教学设计方案
课题：化学反应中的能量变化
教学重点：化学反应中的能量变化，吸热反应和放热反应。
教学难点：化学反应中的能量变化的观点的建立。能量的“储存”和“释放”。
教学过程：
[引入新课]影像：《远古人用火》01/07
[过渡]北京猿人遗址中发现用火后的炭层，表明人类使用能源的历史已非常久远。
[板书]化学反应中的能量变化
一、化学反应中的能量变化
[过渡]化学反应中能量是怎样变化的？
[学生分组实验]请学生注意①操作方法；②仔细观察实验现象；③总结实验结论；④写出化学方程式。
（1）反应产生大量气泡，同时试管温度升高，说明反应过程中有热量放出。化学反应方程式：2Al+6HCl=2AlCl3+3H2
（2）混合搅拌后，玻璃片和小烧杯粘在一起，说明该反应吸收了大量的热，使水温降低结成冰。化学反应方程式：Ba(OH)2•8H2O+2NH4Cl=BaCl2+2NH3+10H2O
[结论]
放热反应：化学上把有能量放出的化学反应叫做放热反应。
如CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
吸热反应：化学上把吸收热量的化学反应叫做吸热反应。
如C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)
[讨论]现代人怎样利用化学反应？
结论：现代人利用化学反应主要是①利用化学反应中释放出的能量；②利用化学反应制取或合成新物质。
[板书]二、燃料燃烧的条件和环境保护
[学生分组讨论]（1）燃料充分燃烧条件？（2）大量使用化石燃料的缺点？
[结论]
（1）使燃料充分燃烧需要考虑两点：①燃烧时要有足够多的空气；②燃料与空气要有足够大的接触面。
空气不足：①浪费资源；②产生大量一氧化碳污染空气，危害人体健康。
空气过量：过量空气会带走部分热量，浪费能源。
增大接触面：改变燃料的状态。如固体燃料粉碎、将液体燃料以雾状喷出、固体燃料液化等。
（2）大量使用化石燃料：①能引起温室效应；②会造成化石燃料蕴藏量的枯竭；③煤燃烧排放二氧化硫，导致酸雨；④煤燃烧会产生大量的烟尘。
[板书]三、现代能源结构和新能源展望
[讨论]现代人怎样利用化学反应中释放出的能量？
结论：人类所需要能量，绝大部分是通过化学反应产生。主要是煤、石油和天然气等化石燃料或它们的制品燃烧所产生的。
[讲述]现代能源结构。
1999年我国化石燃料和水电能源的消耗结构:
能源
煤
石油
天然气
水电
比例
76.2%
16.6%
2.1%
5.1%
[讲述]我国化石燃料与世界主要国家或地区对比。
石油储量/1×1010t
天然气储量/1×1010m3
煤炭/1×1010t
北美
5.6
8.4
262.9
西欧
3.4
6.1
99.3
日本
1.0
前苏联
8.3
42.5
241.0
中东
54
24.2
中国
2.4
0.8
99.0
[讨论]我国能源结构的缺点和新能源展望（环保、防止能源危机）。学生发表自己的想法。
[结论]得出以下结构。
[阅读]能源与人类进步。
请学生阅读教材22——23页。
[本节课的总结和评价]——根据实际完成的情况和教学效果而定。
[尾声]《太阳能》05/34
化学热力学的应用范文第8篇
关键词：节能减排；全球气候变化；工程热力学；教学
作者简介：张昊春（1977-），男，河北万全人，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，讲师；王洪杰（1962-），男，山东掖县人，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，教授。（黑龙江 哈尔滨 150001）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）05-0052-02
一、欧美教学体系中的全球气候变化及节能减排教学
工业革命带来的现代经济增长，使人类的物质财富以史无前例的速度扩张。但是，由于这种经济社会发展模式是以使用化石燃料为基础，化石能源生产和消费排放的大量温室气体导致全球气候变化，引发了气候变暖、极端天气、气象灾难、海平面上升，危及整个人类的生存和发展。为遏制全球气候变化，人类必须大幅减少化石燃料的使用，减少温室气体排放。未来的经济社会发展模式必须建立在低碳基础之上，通过低碳发展，研发和推广低碳能源技术、增加碳汇、发展碳吸收技术，以及节能减排、产业升级、消费模式更新和制度创新，大幅提高单位碳排放的生产效率，推动应对气候变化取得新的重大进展。这种变化代表着一种新发展模式的出现，必将深刻地改变人类的生产和生活方式。
应对全球气候变化，加强节能减排事业是国家基本国策，也是当代高等工程教育中必然要深入和强化的教学内容。但是，目前没有将其全面而系统纳入现有的高等教育培养体系中，在教材、课堂教学和素质培养过程中并没有占有相应的重要地位，如何在现有的教学体系中整合这部分内容成为教育者共同关注的问题。
2007年，受美国自然科学基金会的资助，美国Connecticut大学举办了名为“Frontiers in Transport Phenomena Research and Education：Energy Systems，Biological Systems，Security，Information Technology and Nanotechnology（传输现象研究和教育前沿：能源系统、生态系统、国家安全、信息技术和纳米技术）”的研讨会。国际工程热力学领域著名学者，美国内华达大学机械工程系的Yunus Cengel教授做了题为“Green Practices into Engineering and Non-Engineering Education to Combat Climate Change（工程中引入绿色实践及挑战气候变化的非工程教育）”的特邀报告，加拿大皇后大学的Patrick Osthuizen教授做了题为“Some Factors to Consider in Teaching Renewable Energy in an Undergraduate Engineering Program（在工科本科生教学计划中讲授可再生能源的一些考虑因素）”的报告，旨在改进现有的工程教学体系，从而保证发达国家在可再生能源领域的全球领导力[1]。
实际上，长期以来，与气候变化、能源高效利用、可再生能源开发与利用相关的教学和素质拓展内容在欧美的《工程热力学》教材与教学体系中一直得到很好的整合，涉及现实中与能源相关的经济、设计及国家安全问题，既学以致用，又帮助学生提高对工程实践及安全的意识，还提高了学生的环境保护意识，代表了当前国际领域内工程热力学教学的最高水平。如美国内达华大学（里诺校区）Yunus A. Cengel教授和北卡罗来纳州立大学教授Michael Boles合著的《Thermodynamics：An Engineering Approach》一书[2]，是全球范围内最为畅销的工程热力学教材，迄今为止已更新至第7版，其中关于能源与环境、气候变化及能源有效利用的非传统经典内容在书中所占的比重越来越大，彰显了在前言中作者谈到的著书宗旨：talks directly to tomorrow's engineers in a simple yet precise manner，that encourages creative thinking，and is read by the students with interest and enthusiasm（直接与未来的工程师以一种简单而精确的方式对话，鼓励创新性思维，让学生读起来感兴趣并有热情）。另一个例子是国际工程热物理界著名学者Heniz Herwig教授所著的《Technische Thermodynamik（工程热力学）》教材[3]，包含了温室效应及核能、太阳能、风能、生物能等可再生能源在德国的实际应用案例。
二、教学内容的重新分配与系统整合
工程热力学是研究热能和机械能相互转换规律及热能有效利用的科学。“工程热力学”课程是热工、市政、航空航天等多个工程类专业的重要技术基础课之一，课程的教学目的和主要任务是使学生掌握能量转换的基本规律，并能正确运用这些规律进行热工过程和热力循环的分析计算[4]。本课程的学习不仅为学生学习专业课程提供必要的基础理论知识，而且为学生毕业后解决生产实际问题和参加科学研究工作打下一定的理论基础。以提高能源转换效率为核心内容的“工程热力学”课程与该主题有着天然的紧密联系，可以在传统的教学内容中纳入现代元素，课程教学内容的重新分配与系统整合如表1所示。
三、实践性环节
在实践性环节中，[5]结合工程专业的科技创新活动，通过课程设计和课程论文，让学生自己查阅资料，自己动手分析和解决问题，从而培养创造性思维能力和独立研究能力，论文题目有中国可再生能源利用现状调研、日常生活节能方案、教室照明用电浪费情况调查、航天系统能源设备调研等。
表2给出了一位2006年本科生完成的《个人节能计划与实践》的主要内容。
四、总结
应对全球气候变化，节能减排是当代高等工程教育中必然要深入和强化的教学内容，但是目前尚未在教材、课堂教学和素质培养过程中占据相应的地位，在现有的教学体系中全面而有效整合这部分内容，业已成为国际工程教育界所共同关注的问题。欧美大学《工程热力学》的教学体系中有效整合了气候变化、能源高效利用、可再生能源开发与利用的内容，代表了当前国际领域内工程热力学教学的最高水平。
笔者在宽专业和多学时“工程热力学”教学实践中，将与应对全球气候变化与节能减排密切相关的国家政策、全球能源利用与环境污染现状、能源的高效利用和新能源技术与工程热力学各教学章节环节相整合，并指导学生开展实践活动，取得了良好的教学效果，为“工程热力学”课程教学与气候变化与节能减排的整合进行了有效的探索和实践。
参考文献：
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[3]T.L.Bergman,A.Faghri,R.Viskanta.Frontiers in transport phenomena research and education:Energy systems,biological systems,security,information technology and nanotechnology[J].International J.of Heat and Mass Transfer,51,2008,4599-4613.