化工热力学教学实验室建设探讨与实践

一、引言

众所周知，教学实验对于本科生教学具有积极的促进作用。因此，许多本科课程或专业均设有专门的教学实验，例如针对化工原理课程开设的化工原理实验，针对环境工程专业开设的环境工程专业实验等。化工热力学课程是化学工程与工艺专业本科生的专业基础课，主要讲授化工过程中的热力学基本理论和利用热力学理论分析、解决化工实际问题的方法。相比较其他化工专业基础课程而言，化工热力学实验建设仍不完善，不仅开设实验的高校屈指可数，而且开设的实验内容也较少。郑州大学在化工热力学教学过程中开设了2个实验，分别是二氧化碳PVT关系和蒸汽压缩制冷循环。大连理工大学的化工热力学课程开设了2个实验，分别为汽液相平衡数据的测定与关联，以及三元系统液液相平衡测定。青岛科技大学围绕二元气液相平衡和溶液热力学等内容开设了6个化工热力学实验项目。上述热力学实验的开设对于学生深入理解化工热力学的基础知识具有良好的辅助作用。

中国石油大学（北京）化工学院是该校第一个进行专业认证的学院，根据专业认证的标准要求，以及化工学院学科建设总体发展目标要求，一方面需要加大对本科生工程实践能力的培养，另一方面需要补充目前没有开设的实验课程，因此建设化工热力学实验室势在必行。

二、化工热力学实验室建设

1.实验室建设思路。中国石油大学（北京）采用的化工热力学教材为陈光进主编、石油工业出版社2010年2月第2次印刷出版的《化工热力学》，主要内容包括流体热力学性质、热力学定律、化工有效能分析、溶液热力学以及相平衡计算。该教材曾荣获中国石油大学（北京）第七届优秀教学成果奖二等奖，同时也是高等院校石油天然气类规划教材。因此，为有效配合课堂教学，化工热力学教学实验室的建设主要依托及结合该教材的内容。

与此同时，中国石油大学（北京）化工热力学教学团队在油气藏流体相态及水合物研究方面取得了较好的成果。因此，在化工热力学实验室的建设过程中充分结合了团队成员的科研内容，实现科研成果向教学的转化，达到教学科研相辅相成、相互统一的效果。

2.开设实验内容。基于实验室的建设思路，开设以下四个化工热力学实验：（1）CO2相行为测定（3学时）。实验目的为掌握流体PVT测定方法;观察近临界区域内流体的相态随着压力的变化;增加对临界现象的认识。具体实验内容为测定CO2气体在恒定温度下，压力与体积的变化关系，并观察近临界区域内CO2的相态随压力变化的实验现象。根据P、V变化值，绘制出恒定温度下的P-V关系图，获得CO2在当前实验条件的相行为。（2）制冷系数测定（2学时）。实验目的为加深对制冷循环的认识，了解实际制冷循环与理论制冷循环的差异，树立能量的有效利用的概念;了解在不同的蒸发温度下（冷凝温度不变）及不同的冷凝温度下（蒸发温度不变）制冷系数及制冷量的变化;掌握制冷参数的测定，明确提高制冷系数可采用的方法。具体实验内容为利用蒸汽压缩制冷装置，通过制冷剂的相变过程实现完整的制冷循环，获得实际制冷循环过程中的相关实验参数，计算得出制冷系数及制冷量。（3）CO2溶解度测定（3学时）。实验目的为掌握气体溶解度的测定原理及方法，进一步巩固气液相平衡的相关知识。具体实验内容为在一定温度和压力下，使纯水吸收CO2气体并达到饱和状态，利用排水法获得CO2在当前实验条件下的溶解度。（4）水合物相平衡测定（6学时）。实验目的为了解水合物测定仪的基本构造和原理;掌握水合物生成相平衡测定方法，加深对含水合物体系的气-液-固三相平衡的认识;熟悉水合物的生成化解过程及基本性质。具体实验内容为采用图形法测定天然气-水体系的水合物生成条件，观察天然气水合物的形态，增加对水合物的感性认识。所有实验装置均由教学团队成员结合自己的科研成果自行设计、共同研制的。尤其是水合物测定仪，是根据团队多年来在水合物研究方面的专长和优势而开发的，体现出一定的科学研究前沿价值。

3.教学大纲制定。化工热力学实验建设的主要目标是使学生从应用角度出发，在理论和实践上掌握流体热力学性质的实验测定和计算、能量平衡和高效利用、流体相平衡的实验测定和计算方法，帮助学生深入理解化工热力学的基础知识，培养学生分析问题和解决问题的能力。增加化工热力学实验课以后，化工热力学课程的总课时数（64课时）及总学分（4学分）仍保持不变，具体包括56课时（3.5学分）的课堂授课，以及8课时（0.5学分）的实验课。开设的四个热力学实验类型均为设计型，对化学工程与工艺、能源化学工程专业作为必修课程，对环境工程、应用化学专业以及其他专业作为选修课程。实验大纲同时规定了实验人员及装置的分配，明确了具体的考核方式。

4.实验室建设的特色与创新点。（1）结合选用的《化工熱力学》教材内容，建成较为完善的本科生教学实验室，可作为教学示范，同时为大学生科技创新以及参加高层次化工实验技能大赛等提供基础条件。（2）充分结合团队成员的科研内容，实现科研成果向教学的转化。不仅有效保证了实验装置设计的合理性、实验顺利开出的可行性以及实验结果的可靠性，同时有助于使学生了解热力学的科学研究，培养积极的科研兴趣。（3）设立天然气水合物相平衡测定实验，不仅能帮助学生更好地理解热力学中多相平衡的概念和特点，还可使学生对天然气水合物，也就是可燃冰这一新能源有直观的感受和认识。这是化工热力学实验室在本科教学中的一个特色。

三、结论

无论是从化工热力学课程自身的教学需要出发，还是中国石油大学（北京）化工学院学科建设及专业认证的要求出发，均迫切需要增加化工热力学本科生教学实验室，开设化工热力学教学实验。中国石油大学（北京）化工热力学实验的建设是在充分结合教材内容和热力学团队科研成果的基础上完成的，开出的实验内容既符合热力学课程的教学要求，体现了热力学的教学重点和难点，又与科研前沿及成果紧密联系，具有非常鲜明的实验特色和创新之处。

从实验室运行实际效果来看，完全实现了实验室的建设目标以及化工热力学的教学目标，丰富了学生学习该课程的方法，提高了学生对热力学相关知识的认识。实验室的建立实现了良好的教学方法改进，在热力学团队老师及学生当中均获得了较好的认可和积极的反响，为化工热力学课程的教学创立了较好的示范。

Discussion and Practice of Building Teaching Laboratory of "Chemical Engineering Thermodynamics"

SUN Qiang1，GUO Xu-qiang2，LI Rui-li1，MENG Xiang-hai1

（1.Department of Chemical Engineering and Environment，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China;

2.Department of Engineering，China University of Petroleum-Beijing at Karamay，Karamay，Xinjiang 834000，China）

Abstract：Combining teaching experiments with classroom teaching is an effective approach to guarantee the learning effect of students.The urgency and significance of adding teaching experiments to "Chemical Engineering Thermodynamics" are analyzed in the article.Based on fully combining the textbook and research contents of thermodynamic team，the authors determined the contents of experiments，designed and developed the experimental apparatuses，built the complete laboratory of "Chemical Engineering Thermodynamics"，and worked out the corresponding teaching syllabus and training plan.The practice effects demonstrate that teaching experiments can help students to comprehend the basic knowledge of "Chemical Engineering Thermodynamics"，increase perceptual understanding，learn the corresponding experimental skills，and train the ability to analyze and solve problems.

Key words：Chemical Engineering Thermodynamics;teaching laboratory;teaching reform