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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]，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。
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，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。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，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。
参考文献
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[7]张婧婧.基于Web和 MATLAB的控制系统虚拟实验室的研究与实现[J].襄樊学院学报,2010,31(5): 61-64
关键词：能分析 分析 能效率 效率 损失
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：
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[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.
工程热力学是热能与动力工程专业和建筑环境与设备工程专业的重要专业基础课，同时也是油气储运工程、化工机械过程与装备和石油加工等专业的选修课。它是一门从工程实际出发来论述热能与机械能相互转换规律及其应用的基础性课程。课程的特点是理论性强、概念抽象、公式图表繁多、热力过程变化复杂以及热力循环的表示和分析困难。
多媒体技术是文本、图像、动画、声音等运载信息的媒体结合体，以图文并茂的形式为工程热力学教学提供了多样化、多视角、立体化的教学信息空间。在工程热力学的课堂教学中，合理、适当的采用多媒体技术，不仅充实了教学内容，而且使课堂教学更加生动形象，提高了教学质量，教学效果良好吼
一、多媒体教学的必要性
工程热力学课程的基本理论应用部分涉及许多图片、图形，内容围绕工作原理图、系统循环图展开，传统的板书教学需占大量的课堂时间手工绘制，效果不太理想，如果利用计算机制作成多媒体课件，集光、形、色于一体，形象直观、内容生动，可以使视觉和听觉同时发挥作用，增加课堂授课的生动性，激发学生学习的兴趣，有利于学生认知能力的开发和对教学内容的理解。
〔一)及时更新教学内容。多媒体辅助教学，可以节约板书时间，有效地拓宽教学空间，在有限的时间内提供更多信息量，使教师有更多的时间进行重点、难点知识的讲解。现代科学技术发展迅速，日新月异，而部分教材内容不可能及时更新，在课件制作中可补充大量最新技术资料，不仅解决教材内容相对滞后的问题，而且可引荐专业发展的前沿信息，拓展学生的视野。
(二)完善传统教学手段。多媒体将传统教学手段难以表达的内容和难以观察到的微观热现象通过文字、图像、声音和动画等形式生动的表现出来，加深了学生对知识的理解，激发了学习兴趣和学习主动能动性。另外多媒体可通过字体的缩放、颜色的变化或明暗交替以及动态出现等方式来强调重点，使学生印象深刻，更容易记住这些知识点。
(三)增强学生感性认识。工程热力学中有许多抽象的概念和过程，如孤立系统、平衡状态、压缩过程、水蒸汽定压发生过程等。仅通过书本上的概念和简单的插图来讲述或通过学生的想象来理解、掌握这些知识点是非常困难的，而借助多媒体技术就能使这些问题迎刃而解。多媒体课件支持FLASH动画}WMV，AVI视频等播放插件。如在讲解内燃机结构和原理时，采用FLASH制作简单的动画来演示汽车内燃机的工作过程，学生在动画中能非常直观地看到内燃机的吸气、压缩、燃烧和排气，再配合P-V图画出热力过程，看起来一目了然，有利于学生对过程的理解和掌握，进而分析不同的压缩过程所需功耗的不同。同时结合一些有趣的思考题。如:为何给球打气时用湿布裹住气筒外壁能节省体力?汽车油门是控制油量还是空气量?这样既能有效巩固压缩机省功原理，又与现实生活紧密联系，极大的激发了学生的学习兴趣。
二、多媒体教学内容的选择
国内各类院校能源动力类专业基本都开设了工程热力学课程，但可供课程使用的优良教材数量有限，且教材更新较慢，特别是工程背景和应用方面的知识较为匾乏。为此，首先应根据各高校学科专业特色，选择合适的教材和参考书，为多媒体课件制作提供最基本的知识体系保障。其次各专业知识是相通的，但侧重点不一样，应补充介绍同一概念在不同工程运用背景下的区别和联系，让学生能更好的理解基本概念做到融会贯通。比如，热力学能是工质的内部储存能，是温度和比容的函数。工程流体力学课程中，认为液体流动中温度和比容为常数，所以热力学能不变，研究中可以忽略。而工程热力学研究中，热力学能是重要的状态参数，不能忽略其变化。最后要结合专业特色，拓展工程实践知识，开展相关工程应用专题讲座，避免计算时出现手提吹风机功率在60KW以上，甚至达363KW，而汽轮机喷管出口速度只有十几米每秒的低级常识性错误。
三、多媒体课件制作应注意的问题
多媒体电子教案存在直观、形象、生动、图形图像功能强大、易于展示最新科研成果、教学信息量大、学生易于复习等优点，但同时存在单幅信息量少、幅间信息不连贯、前后呼应不够、学生思维不易跟上等问题。在制作时应该扬长避短处理好以下几点问题。
(一)多媒体模板的制作。多媒体课件需合理照顾章节间的关系，但每张幻灯片的空间有限，难以有效发挥“标题”和“正文”的相互呼应。合理制作多媒体模板，是增加课件内容逻辑性和关联性的重要保证。为此，应根据教学大纲内容制作本章节教学内容的主题目录，教学时采用超链接的方式打开。其次建议每张幻灯片分成三个区域:标题区、正文区和脚注区，并用横线严格区分，做成统一的模板。在标题区右上角，角注本章标题，而在标题区中央插人本节标题。正文第一行插入本节幻灯片主要内容标题，与正文呼应，使信息尽量连贯。脚注区可插人授课日期，页码等辅助信息，保证每页幻灯片的完整性。最后，应制作复习提纲，与首页主题目录提纲和正文重点内容呼应。
(二)文字内容的确定。工程热力学作为一门技术基础课程，基本概念、基本原理、基本方法是要求学生掌握的重点，需要通过大量的文字来进行表述，因而课件上的文字内容不可避免要占有较大篇幅。需要特别注意的是切忌将大量教材内容原文照搬到课件上，授课时照本宣科。文字内容的确定必须经过反复推敲、归纳和总结，将核心内容提炼出来，完整的表述则通过授课或与同学之间的讨论来完善。古人云:文章千古事，得失寸心知。幻灯片制作也是一样，一定要精益求精。建议每张幻灯片不超过四段文字，每段文字不超过两行。在需要特别强调的地方如前提条件和重要结论要点，用特殊强化处理标注，如PPT自带的红色五角星符号。当然对于课程中一些经典的概念和原理如孤立系统嫡增原理等建议给出原文，让学生根据自己的理解提炼或用自己的言语表述，以加强对概念或原理的理解，同时培养学生的逻辑思维能力。
(三)图像的选择与处理。多媒体课件的优势就是图片功能强大，需要充分发挥。应选择既反映工程实际又具有较高清晰度和对比度的优良图片，这样才不会出现投影放大后的图像失真的问题，这一点需严格遵循宁缺勿滥的原则。对于原理性图，如果直接采用软件从书本上复制粘贴由于涉及图像格式转化会导致图像像素丢失，图像失真，建议利用PPT自带的画图工具绘制，这样既可以对图像中各类曲线实现不同颜色、线条标记，又可以在播放时实现分层逐级播放。另外结合PPT动画播放功能里的“擦除”效果，可实现曲线的动态绘制过程，利于学生理解和掌握热力过程曲线。比如，理想气体几种基本热力过程在P-V图上同时出现时曲线烦乱，各区间物理意义复杂易混淆。采用上述方法可以得到很好的解决。
(四)多媒体课件的放映。在课件放映时，文字的出现应设为逐行或逐字播放，让学生有时间记笔记和思考，不宜像放电影一样整屏播出，此时内容繁多，眉毛连着胡子，学生分不清主次，很容易走神，更谈不上理解和掌握。
作者的体会是应根据讲解的思路和过程，逐级播放。特别是涉及公式推导时，应模拟黑板推导的过程，逐步或分块出现。当然，这也会造成教师频繁使用电脑，影响教师讲解和学生思考的连贯性。建议使用多功能激光笔，实现远程控制幻灯片播放。这样教师一方面不用局限于讲台上，活动空间得到大大解放，另一方面也可以到讲台下加强与学生的近距离互动讨论，有效维护课堂记录。
四、多媒体教学中需注意的问题
效果优良的多媒体教学也存在学生视觉疲劳问题，这与黑板教学相比是一个固有缺陷。据赣南医学院的一份调查数据显示。大学生在课堂上被多媒体教学光照时间太长，学生连续2个课时接受多媒体教学，约22%产生轻度视觉疲劳，连续4个课时，轻度视觉疲劳则高达61%。可见，培养一支高素质多媒体教学课件制作队伍，是消除学生视觉疲劳和提高教学质量的关键。积极参加多媒体教学课件制作学习班，学习适用于大学生最佳课件制作视觉效果的理论与方法，制定多媒体教学课件制作视觉审美的基本要素、基本规范和基本参数。
同时多媒体授课时光线较暗，如果课堂授课时教师只是点点鼠标，学生瞪大双眼看，相互之间缺乏交流，学生容易昏昏欲睡。因此教师不能只站在讲台前一字不差地朗读讲课，应当随时观察学生听课的精神状态，适当地走到屏幕前指点内容，或者丰富教师自身的面部表情和肢体语言，利用提问、现场讨论等互动交流以活跃课堂气氛与调动学生学习积极性。
1．引言
换热器作为一种各工业领域广泛使用的设备，它的研究倍受重视。目前关于换热器的研究大致有两个方向，一是研究换热器传热强化，主要目的是提高换热器流体和固壁间的对流换热系数，进而提高换热器的效能。二是从可用能的角度研究换热器的热力学优化，包括换热器的熵产分析、火用效率分析等，从使换热过程不可逆性最小的角度来优化换热器。其中过增元提出的换热器温差场均匀性原则，一方面可以指导新的提高换热器效能的方法，另一方面也可以对换热器热力学优化做分析。本文是从温差场均匀性原则出发，将其应用于逆流换热器的优化过程，并对各种优化方法进行分析比较。
2．换热器温差场均匀性原则
过增元在1992年《热流体学》[1]一书中定义了温差场不均匀因子，应用于顺流、逆流和叉流换热器，发现在相同的传热单元数NTU、热容量比W和流体进口温度的条件下，逆流换热器温差场最均匀，效能也最高，熵产也最小。进而在1996[2]年定义温差场均匀性因子，提出了换热器热性能的温差场均匀性原则：在NTU和W一定时，换热器的温差场越均匀，其效能越高。并采用数值方法对13种换热器的温差场和效能进行了分析，验证此原则的正确性。通过熵产分析指出此原则是以热力学第二定律为理论依据的。同时针对叉流换热器，提出了分配换热面积来改善换热器性能的新方法。过先生又在2002[3]年给出了简单顺流、逆流、叉流换热器温差场均匀性因子的解析表达式，同时通过实验的方法对此原则进行了验证，针对多流程叉流换热器，举例说明用改变管路连接的方法来改变温差场均匀因子，进而改变换热器的效能。在2003[4]年提出基于温差场均匀的场协同原则，同时将此原则应用于多股流换热器中，提出换热器传热性能的高低取决于冷热流体温度场的协同程度，而不是流动方式。
从上述温差场均匀性原则的提出、验证和发展历程来看，这一理论已经比较成熟，也是从传热物理机制方面优化换热器的新探索，可以利用它比较实际换热器的换热性能。很多换热器大都是复合型流动方式的换热器，基本上没有解析表达式；尤其对于叉流换热器，应用此原则，可以在NTU和W给定时，改变传热面积的分布或是管路连接方式，来改变换热器的效能。温差场均匀性原则前提条件是NTU和W值恒定。对于换热方式（逆流）已定的换热器，在W和NTU变化时，应该如何应用此原则是本文讨论的主要内容。
3．温差场均匀性原则在逆流换热器热力学优化中的应用
过先生[3]将温差场均匀性原则用于指导叉流换热器的优化，并对优化效果进行了分析验证。温差场均匀性原则，是从研究对流换热的物理机制出发[5]，用于指导各种形式换热器的优化。本文目的就是应用这一原则来指导逆流换热器优化方法的选择。
3.1逆流换热器已有热力学优化方法比较分析
以目标函数区分的优化方法大概有两类：一是传热过程熵产分析，二是定义火用效率分析。
关于熵产，徐志明、杨善让[6]等人定义熵产生数Ns：单位换热量的熵产。以Ns最小为目标，通过泛函求极值求得换热器温度和热流的最优分布，得到结论：使W略大于1实现最优参数分布。他们从温度分布的角度来优化换热器，提供了一种从换热内部的细节研究问题的思路。能大曦[7]等人在分析换热器的熵产时得到了类似的结论：在W为1时，换热器的Ns最小。同时指出徐志明等人研究得到的W略大于1的结论，是因为他们定义的NTU与常规的定义不同。综合分析前二者可以得到：当NTU一定W变化时，使W为1，换热器性能最佳。对于逆流换热器，W为1就意味着温差场均匀，符合温差场均匀的原则。当W不变NTU变化时，对于Ns的变化，能大曦[7]等人的研究得到：对于逆流换热器，W不变，随着NTU的变化，Ns单调减小。
关于火用效率分析，徐志明、杨善让[8]等人，给出考虑阻力的火用效率取极大值的方法。通过定义火用效率：
分析火用效率随NTU和W的变化，下图是他们分析的结果。从上述结果看出：对于逆流换热器，W不变，NTU较大时，随着NTU的变化，η会越来越低，NTU不变，W变化时，η在W近似为1时取得最大。
比较熵产和火用效率两种方法的结论可以得到，NTU不变，W变化时，二者结论基本一致。而对于W不变，NTU变化的情况，随着W增大，Ns单调减小，而也降低了。两种方法出现了矛盾。下面通过温差场均匀性原则对两种方法比较选择。
3.2逆流换热器熵产和温差场均匀性分析
3.2.1逆流换热器W变化时，看换热器的效能、Ns、温差不均匀因子变化规律。
分析中采用文献中已有的表达式：
(a)换热器的效能[8]：
(b)换热器的熵产[7]：
(c)熵产生数[7]：
其中：。
的解析表达式见文献[7]，换热器的表达式见[3]，图1给出W从0.1变到0.9时，、以及变化结果。其中
由图中得到：随着热容量比接近于1，换热器温差场均匀性因子增加了，熵产减小了。同时结合徐志明[8]等人分析火用效率的结论，综合得到：在NTU不变，W越接近于1，换热器温差场均匀性因子越大，熵产生数越小，火用效率越高。即熵产分析和火用分析均符合温差场均匀性原则。另外从图中看出效能随着温差场的均匀而降低了，用效能来评价换热器性能和热力学分析结论出现了矛盾。当NTU一定，如果要求不同的W得到相同的换热量的话，那么W小的流体，热侧流体的流量很大，保证如此高的流量也要有代价，同时由于流量大，通过换热器时阻力损失也大，与之相对应的火用损失也大，火用效率[7]降低了。因此同时得到单纯用效能来评价换热器是不可靠的结论。
3.2.2W一定，NTU变化时，温差场均匀性因子、熵产生数以及效能的变化。为便于和火用效率[7]分析的结果作对比，取热容量比：
得到结果如下：
图2Ns－NTUφ-NTU和ε-NTU曲线
由上图可见，当W不变时，随着NTU的增加，Ns变小了，效能增加了，但温差场变得不均匀了。结合徐志明[8]的结论，火用效率变小。发现此时火用效率判据符合温差场的均匀性原则，而熵产分析却和原则相反了。Bejan[10]曾把逆流换热器传热过程的熵产分为不平衡流动即热容量不匹配的熵产和由于传热面积有限引起的熵产。能大曦[7]等人对两部分熵产比较得到：两部分的熵产随NTU的变化，趋势是相反的。由于换热面积有限引起的熵产随NTU增加而减小，由于不平衡流动的熵产随NTU增加而增大。对于逆流换热器，温差场均匀与否只取决于W是否为1。不难理解只有由热容量不匹配引起的熵产变化趋势能用温差场均匀性原则来解释。换句话说，熵产生数来做判据包含了换热的物理机制之外的部分，在对换热器做优化时，应怎样用它还有待进一步的分析。从这个角度考虑，基于换热的物理机制建议选择火用效率作为换热器热力学优化的判据。
4．结论
（1）针对逆流换热器，比较已有优化方法，发现熵产分析和火用效率分析在W一定，NTU变化时得到的结论出现了矛盾。
（2）应用温差场均匀性原则，对比温差场均匀性程度变化的趋势和熵产生数、火用效率的变化趋势，得到火用效率和温差场均匀程度变化趋势相协调，选用火用效率来做优化更能反映换热的物理机制。因此建议用火用效率来优化换热器。
参考文献
[1]过增元，热流体学，清华大学出版社，1992
[2]过增元、李志信、周森泉、能大曦，中国科学（E辑），1996.2
[3]GuoZeng-Yuan,ZhouSen-Quan,LiZhi-Xin.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2002,45:2119-2127
[4]过增元、魏澎、程新广，科学通报，2003.11
[5]过增元，科学通报.2000.45(19):2118-2122
[6]徐志明、杨善让、陈钟颀，化工学报，Vol.46No.1,1995.2
[7]能大曦、李志信、过增元，工程热物理学报，Vol.No.1,Jan.1997
[8]杨善让、徐志明等，工程热物理学报，Dec.1996
[9]杨世铭、陶文铨等，传热学，高等教育出版社，1998
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主办单位：中国化工学会
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将气体加热到摄氏几千度以上就形成等离子体。等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，也称物质第四态。它是由完全或部分电离的导电气体组成，其中可包含电子、正离子（原子或分子）、负离子（原子或分子）、激发态的原子或分子、基态的原子或分子、游离基等六种类型的粒子。这些粒子的正负电荷数量和密度大致相等，因而，等离子体在宏观上保持电中性。
产生等离子体的方法很多，自然界雷电、日冕、极光等均可产生等离子体。在实验室里可用放电、燃烧和激光等方法产生等离子体.处于等离子态的各种物质微粒具有极强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应。
通常用于化学合成反应的等离子体（温度低于104K，压力在10-3一103atm之间）属于物理上低温等离子体范畴。它又可分为热等离子体和冷等离子体。前者是由稠密气体在常压或高压下电弧放电或高频放电而产生。体系中电子温度和气体温度接近相等，约3000～5000K，常用于无机合成和有机物裂解反应的高温热源，后者是由稀薄气体在低气压下用激光、射频或微波电源激发辉光放电而产生。体系中电子温度可高达数千至数万K，而气体温度很低，大致在室温至上百℃。
一、等离子体热力学
众所周知，对完全热力学平衡状态（反应时间足够长，以致各种“自发的”不可逆过程均已完成），其宏观物理状态都可用T、v，T、P；S、V；S、P等状态函数中的任一对单值地描述。其中T是绝对温度，P是压力，v是体积，S是熵。
如果把等离子体看作是处于热力学平衡状态，则可以套用热力学关系式对等离子体的热力学性质加以描述，例如热等离子体比较接近这种情形。然而，等离子体通常是空间不均匀的，且处在电场、重力场等外场中，因而平衡只能是局部的（即对于一个小的等离子体元而育）。为此，系统中各点处的平衡参数（尤其是温度）各不相同，在很大程度上取决于外场的分布和大小。此外，等离子体中存在着弹性碰抽、复合、粒子对光子的吸收和辐射等多种复杂的微观过程，而这些微观过程又往往伴随着动能和动量的交换以及粒子的形成或湮灭。这些都决定了等离子中只能建立所谓的统计平衡，即在给定的类型中，粒子的坐标、动量和内部状态等有一个唯一确定的分布。迄今为止，还没有可靠的实脸方法能用来测量等离子体的各种热力学性质，而只能用统计热力学的方法从理论上对它们定义。
对于低温等离子体，可将其看成理想气体的混合物，如果忽略粒子间的库仑作用，其热力学性质的计算可简化为以下三部分：
1.用平衡态理想气体统计热力学公式计算“纯粹”单个成份的热力学参数；
2.用化学平衡的完全方程组（包括解离和电离方程）来计算等离子体的成份；
3.从已知的单个成份的函数值计算整个体系的热力学函数。
二、等离子体用于无机化学合成
1.利用等离子体合成陶瓷超细粉
陶瓷在无机材料中占有重要的地位。随着各种新型陶瓷材料的出现，它在许多尖端工业中获得新的应用。利用等离子体来合成陶瓷超细粉作为一种开发新型陶瓷材料的有力手段越来越受到人们的重视。
早在60年代后半期，就已经开始研究采用等离子体喷射的陶瓷熔射法，用此法已制出部分氧化物和碳化物系陶瓷。60年代初期，有人开始采用热等离子体法合成陶瓷微粉体。其方法是将反应物注入到热等离子体中进行高温化学反应，然后通过超强冷却生成微粉体。其特点是在超高温蒸气的冷却过程中产生非平衡化学反应。这方面已发表过不少论文，但由于大部分工艺是把反应物直接导入直流等离子体喷管，特别是用氯化物和反应性强的气体作反应物时，电极受到剧烈的腐蚀，再加上对等离子体本身的基础现象没有充分了解，因而发展并不很快。70年代，等离子体化学迅猛发展，逐步搞清了采用普通直流等离子体喷管进行陶瓷合成的极限和反应过程的控制以及化学反应速度理论所要求的反应时间的极限，于是利用高频电场感应等离子体喷射合成陶瓷的方法应运而生。高频感应等离子体又叫感应偶合等离子体，是Reed于1961年研制成功的。其优点有二：一是气体流速比直流等离子体的喷射速度约低一个数量级，至多不过30m/s，易于获得数厘米直径的等离子体，反应物可在等离子区滞留10毫秒，因而能在等离子区进行较充分的化学反应，对反应过程也能进行控制，二是无电极放电，不会出现反应物对电极的腐蚀和电极物质混入反应体系成为杂质，可以使用级化物、O2、uf6等各种强反应性气体。
采用高频等离子体合成陶瓷微粉体时，根据注入物质是粉体还是气体，可选择二种稍有不同的工艺：前者是粉体在等离子体中蒸发，获得超高温蒸气，在冷却过程中进行化学反应，后者是气体物质在等离子体中进行解离、分解等一系列高温化学反应和其后的冷却过程中的化学反应。我们把前者称为“反应性高频等离子体蒸发法”，后者称为“高频感应等离子体化学气相淀积法”。
超高纯度的氧化物系陶瓷，格外受到人们青睐，特别是杂质含量只有lbbm（10-2）的SiOa微粉体，作为电子材料，今后的需求量将迅速增加。而在制备SiOa微粉的诸多工艺中，尤以用氧等离子体载化SiCl4的方法为最佳。
2.高颇等离子休淀积无机膜
薄膜在材料科学中占有极其重要的地位。等离子体化学的许多工作都与薄膜的制备和研究有关，上述“高频等离子体化学气相淀积法”通常即是针对制膜而言的。这方面的研究近20年来进展非常快。在半导体工业中，这种技术已成为大规模集成电路干式生产工艺中的重要环节。自1973年以来，英、美、日等国相继用这种技术制成了氢化非晶硅（α-Si：H）薄膜。利用该技术可以制备Al2O3、BN、TiN等绝缘、耐腐蚀、耐磨的固体薄膜，正处于走向实用化的阶段。
高频等离子体淀积薄膜工艺分为等离子体增强化学气相淀积（PACVD）和等离子体增强物理气相淀积（PAPVD）两大类。PACVD是使反应性气体通过等离子体区进行化学反应后在衬底上成膜，其电场频率可从300Hz直到微波，但较常用的是13.5MHz。与基于热化学的化学气相淀积（CVD）方法相比，PACVD可以大大降低淀积温度，从而不致使衬底发生相变或变形。例如用CVD方法在硅片上淀积Si3N4膜需要900℃以上高温，而用PACVD方法只要350℃，而且成膜质量高，从而使Si3N4得以成功地用作集成电路钝化膜。PACVD还可以用于磷硅玻璃、非晶材料、超导膜、外延硅、SiC、WSi2以及各种薄膜敏感元件的制备。
PAPVD是基于动量传递的镀膜技术。其基本原理是，在等离子体空间，放电气体的粒子被电场加速轰击阴极靶材料使其原子飞溅出来，淀积在基体材料上形成薄膜。由于溅射的粒子动能可高达1-40eV，所以膜与基体的结合强度要比普通物理气相淀积（PVD）如蒸发镀膜高得多。而且淀积温度低，甚至可在塑料上镀膜。用PAPVD方法可以淀积金属（如Cu、Ag、Au、Ti等），氧化物（如ZnO、SiO2等）、碳化物（如SiC、TiC、TaC等）、氮化物（如AlN、Si3N4、NiN、TaN等）薄膜。此外，还可以对PAPVD设备加设磁控装置，以约束等离子体中带电粒子的运动，从而大大提高淀积速率。
三、利用低温等离子体合成高聚物
等离子体聚合是多分子反应中的原子反应和聚合反应，主要包含等离子态聚合（PSP）和等离子体诱导聚合（PIP）两个方面。二者的区别在于，前者是通过等离子体活化的原子或分子物种的再结合和聚集的高分子化，包括气相反应中间产物的间接聚合过程，而后者是通过等离子体物种作引发剂诱导的链锁聚合过程，是使单体的化学结构不受破坏的表面相的直接聚合。
人们用等离子态聚合技术成功地制备了许多性能特异的亚稳态结构的有机高聚物、硅、氮化硅和有机金属化合物以及这些材料的超薄膜，发展了一种新兴的薄膜制备技术一一等离子体聚合淀积。用这种技术制得的高聚物薄膜有超薄（可达几个纳米）、坚实致密、均匀、无针孔、结构上高度交联、无定形、与基体粘附力强等优点，具有优良的化学、机械、光学和电气性能，可以制成高强度耐磨膜、光学保护膜、电学绝缘膜、反渗透膜、选择性渗透膜等，从而在化工、半导体、微电子学、光学、光纤、激光和太阳能等方面有着十分广泛的应用。
四、结语
等离子体化学是一门新兴的交叉学科，又是一门综合性的技术。国外在这方面的研究较早，目前已有不少等离子体化学专着和会议论文集出版，有些研究成果被用于工业生产并生重大经济效益。
中图分类号：F4文献标识码：A
一、引言
立足于我国以煤为主的能源结构，在发电行业里发展了多种清洁煤技术，其中以煤气化为核心的多联产系统是解决我国未来可持续发展的方向之一。
多联产系统是一个非常复杂的系统，主要的产品输出有两种形式：化学品和电力资源。化学品的化学能与输出电力的电能，品位不同，单位(火用)价格不同。如果将两者等同起来可能只会得到尽量提高系统热力学效率的片面结论，为此需要将(火用)与经济结合进行分析――(火用)经济学分析。(火用)经济学分析的依据是热力学与经济学结合的原理，在合适的热力学量度（热效率、(火用)效率）与资金支付方面寻找一种最佳关系，使产品的能耗最低，单位成本最小，经济效益最佳。
二、热经济学分析在多联产系统中的应用
本文输入输出的(火用)分析表明：气化炉单元的(火用)效率为85.27%；净化、变换与甲醇合成单元的(火用)效率为85.08%；发电单元的(火用)效率为42.41%。其中，入口单元煤的化学(火用)为27，557.7kJ・kg-1coal。
在甲醇合成单元中，提高未反应气的循环率可以提高系统的(火用)效率。然而，在合成甲醇单元中，未反应气的循环率的提高势必增加甲醇合成单元及其后续单元中各设备的负荷，导致设备装置增大，投资成本和运营成本增加。从热力学角度分析多联产系统，只能得到系统能量利用的合理性，但系统(火用)效率高并不代表经济上的最佳。因此，需要热力学分析与经济学分析结合起来的(火用)经济学分析法，分析甲醇合成单元中分流器分流值f对系统经济性和(火用)效率的影响，寻求最优值。
为了分析工艺参数（循环率f）对系统各单元的影响，在保持多联产进料煤不变的情况下，通过改变f值对甲醇合成单元进行模拟。其中，f=0表示合成气一次通过，而f=0.6表示合成气通过合成塔后未反应的原料气60%返回合成塔，以提高甲醇产量。随着f值的增加，气体流量也相应的增加。若其他操作条件保持不变，为了保证循环物流的输送和甲醇合成的转化率，甲醇合成单元中的设备也相应增大。本文通过多项式回归，以合成气一次通过（f=0）甲醇的产量为准，然后将不同f值时的气体流量与之相比，得到装置放大倍数与f值的代数关系式为：
F1＝326.576×f5-662.539×f4＋471.843×f3-134.908×f2+13.939×f+0.9184
装置放大（缩小）倍数主要是涉及非能量费用（主要包括初投资折旧费、运行管理费及维修费）。可以说，循环率f越大时增加了设备的损耗，从而放大了非能量费用；但对发电单元却正好相反，循环率越大，未反应气体通过分流器继续循环，进入发电单元的合成气相应减少，从而减少了设备的损耗，缩小了非能量费用。而发电单元的发电量与f值的代数关系式为：
F2＝－105.132×f5＋317.1×f4-339.293×f3+144.83×f2-3.7096×f+0.9679
改变甲醇合成单元中分流器循环率f的值，甲醇产量会随着f值的升高而增加。合成气的(火用)转化产物甲醇的转化率随f值的变化关系式为：
F3＝6.9413×f5-20.1406×f4+22.419×f3-11.9558×f2+3.1119×f+0.4456
同理，随着f值的增大甲醇单元排放出来的燃气（未反应气）量降低，未反应气的(火用)值占进料合成气的百分比随f值的变化关系式为：
F4＝－105.132×f5+317.1×f4-339.293×f3+144.83×f2-3.7096×f+0.9679
本文参照产品的市场价格，计算产品的单位(火用)成本，然后以系统的利润最大化为目标，用mathematica建立多联产系统的(火用)优化方程。通过优化求解，寻找系统(火用)效率和经济效益的最佳关系，使产品的能耗最低，单位成本最小，经济利益最大。按照成本方程和(火用)平衡方程，该多联产系统的优化方程，如下所示。
目标方程为：max profit=Exc-Exc-Z
式中，Ex为系统输出的第i种产品(火用)；Ex为系统输入的第j种燃料(火用)；c和c分别表示输出产品和输入产品的单位(火用)价格；Z为系统中初投资折旧费、运行管理费及维修费等各项费用的总和；profit为该系统的利润。
上述目标方程的约束方程为：
①EX3=F3×EX2
②EX4=F4×EX2
③EX5=0.4241×EX4
④EX2=0.8527×EX1
⑤EX1=27557.7×6×107
⑥Y甲醇=F1
⑦Y发电=F2
⑧Z甲醇=Z甲醇0×（Y甲醇）0.62
⑨Z发电=Z发电0×（Y发电）-0.62
式中，EX1表示年投入煤化学(火用)；EX2表示气化炉单元出口的(火用)值；EX3表示甲醇合成单元甲醇的(火用)值；EX4=表示甲醇合成单元未反应气体的(火用)值；EX5=表示发电单元电的(火用)值；Zi0表示f=0时第i单元的设备投资折旧费、运行管理费及维修费等各项费用的总和，为了简化经济计算，假定设备的残值率15%，设备折旧费按25年直线折旧计算，年度设备维修费占设备初始投资的0.5%，设备管理费占设备初始投资的1%。原料煤的(火用)价C1为6.5317×10-6元/kJ，产品甲醇的(火用)价C3为2.368×10-4元/kJ，产品电的(火用)价C5为1.6651×10-5元/kJ。Shell气化炉日处理煤250～400t，若取300t/天，每年按200个工作日计算，则年处理煤共6×107t。合成气单元、甲醇合成单元和发电单元设备的初始投资分别为39，705万元，77，866万元，发电设备的单位造价1，400元/Kw。具体的计算过程可从下面的计算得出。把上述计算代入各方程，通过运筹学的线性规划求解可求算出目标方程的最优值。
从前面的(火用)分析可知，要增加化学品甲醇的产量或提高系统的(火用)效率，必须加大甲醇合成单元尾气的循环率，即提高f值。然而，提高尾气的循环率，则会增加甲醇合成单元及其后续单元中各设备的负荷，导致投资成本和运营成本增加。本文建立的多联产系统热经济优化模型是在mathematica中实现，通过调用mathematica的求最大值函数，得到最优的f值为0.7173，此时系统的利润额最大，为22，860万元。
三、结论
热经济学分析是将系统用能的合理性和经济效益综合起来评价的方法，具有很强的实际应用意义。本文将(火用)分析与经济分析相结合，建立多联产系统的热经济优化模型，通过模型的优化求解，得出甲醇合成单元中循环率f的最优值为0.7173，此时系统的利润额最大，为22，860万元。
（作者单位：北京化工大学）
主要参考文献：
1.引言
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。
化学平衡和相平衡是热力学的基本应用，学生通常会在学习这部分内容的时候意识到物理化学和药学的密切联系，作为教师，应该有意识的引导和帮助学生建立和掌握这种联系，为此，在教学中，我们通常选择以现实中存在的药物合成反应为例子，向学生讲解相关公式的应用，而在相平衡中，我们在理论教学的同时，还会向学生解释冷冻干燥技术、超临界二氧化碳萃取、水蒸气蒸馏等相关药物提取技术，特别是在学元相图时，我们会引导学生思考，低共熔点的存在，对于药物剂型设计有何影响，如何利用和避免这种影响，并向学生展示其具体应用。相比化学热力学，化学动力学与药学的关系更加明显[4]，其基本理论在药物稳定性、药物体内代谢等方面具有显而易见的应用，在教学中，我们强化了这种联系，通过设计习题，以具体药物的代谢速率、药物贮存期预测等相关案例为载体，让学生亲自动手应用动力学理论，解决专业问题，这一方面有利于学生对于物理化学基本知识的掌握，也有利于学生后续相关课程的学习，采用这种以专业需求为导向的教学方法，能够明显的提高教学效果。同样的，在讲授表面化学、胶体化学部分内容时，我们也以满足专业需求为出发点调整了相关教学内容。根据我校药学专业培养计划，在讲授这部分内容时，学生已经开始了药剂学课程的学习，部分知识学生其实已经有所了解，比如表面张力、表面活性剂等内容，为避免重复，在授课时，我们更加侧重于在理论的高度去分析、解释相关的内容，这样会更加有助于学生对已学知识的理解与掌握。
2结合学生实际，改革教学方法
教学过程是一个师生之间互动的过程，目的是使学生掌握所传授的知识，然而，不同学生的学习基础不同，对知识的理解、领悟能力也有所差别，因此需要教师根据学生的实际情况，灵活的把握教学内容和教学方法。笔者所在学校为地方本科院校，学生数理基础较差，抽象思维能力不足，对公式繁多、逻辑性强的物理化学课程有明显的畏难情绪，有较多的学生认识不到物理化学与药学专业的联系，因此学习兴趣和积极性不高，同时，学校有大专和本科两个不同层次，不同层次的学生知识基础和学习能力有所差别，对于物理化学课程的要求也有所不同，这些具体的现状，既是我们在教学中所面临的困难，也是我们把握教学内容和教学方法的重要依据。
针对这些现状，我们灵活选择教学方法；提高教学效果。比如：采用案例分析法、问题引入法等教学方法，通过展示具体的药学或生活实践案例，引出其背后隐藏的物理化学原理，通过理论联系实际，启发学生思考，加强学生对于理论知识的掌握。比如，在讲解动力学部分时，分析药物在人体内的吸收、代谢过程，分析其动力学特性对于药物剂型设计的影响。活用讲授法这一基础教学方法，对教学内容有所取舍，以适应学生实际情况和专业需求。对于物理化学繁多的公式，讲授时可以弱化公式的推导过程，对于专科生则可以完全取消公式推导的讲解，转而强调公式的应用条件，并通过习题的方式，帮助学生掌握其具体应用。熟练和合理使用多媒体技术。多媒体技术的出现，让教学过程变得更加灵活有效，方便快捷，通过图像、视频，学生可以对知识有更加直观的体会。比如，在学习固体的润湿这部分内容时，通过展示大量丰富的相关图像和视频，比如，原油泄漏环境中的海鸟、“魔法砂”的神奇现象、荷叶上的水滴等，教师可以灵活的让学生理解教学内容，并用理论对这些现象进行分析，既有利于知识的掌握，又活跃了课堂氛围。
3以应用为导向，重视实验教学
0 引言
半空间体受移动载荷作用的问题是交通运输、土木工程以及地震工程中最基础的一类课题。例如，由高速火车或者地铁引起的噪声和振动是现代城市结构设计中必须要考虑的重要因素。对移动车辆或者地铁引起的微振动的评估，以确保精密仪器的正常运行，对于土木工程设计部门来说同样重要。研究运动荷载作用下地基的动力响应，对于我国，尤其是对于在南方软土之上发展新型高速铁路，开发磁悬浮列车也具有重要的理论和工程意义。
在文献[1-3]中，人们研究了在移动载荷作用下弹性或者粘弹性半空间的动力学响应。但是，利用单相介质来模拟由土颗粒和水组成的二相饱和介质会产生一定的误差。为了进一步探讨在移动载荷作用下由二相饱和介质组成的地基的动力学响应，基于多孔饱和介质的Biot理论[4]，金波等[5-7]用Fourier变换研究了受匀速移动简谐力作用的多孔弹性半平面问题，发现多孔饱和弹性固体在移动荷载下的动力响应与单相弹性固体的动力响应明显不同，多孔饱和弹性半平面的应力和孔隙水压力都随振动频率或载荷移动速度的增加而增加。
虽然，用Biot理论成功地解决了许多工程实际问题，然而当地层介质中的孔洞不含液体时，用Biot理论来描述流体饱和多孔介质显得不够准确。为了弥补这一不足，同时考虑温度的影响，Goodman，Cowin和Iesan等人[8-11]发展了一种较为完善的孔隙热弹性理论。该理论的基本假设为：材料的体积密度是两个场，即基体材料密度场和体积百分比场的乘积物理论文，这样，材料体积密度的表达式可由一个独立的动态变量表示，这个变量就是孔隙体积百分比。然后由热力学第一、第二定律导出各向异性孔隙线性热弹性材料的基本方程。
由于孔隙热弹性材料兼具结构和功能双重用途，具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点，它们多见于天然多孔材料、人造多孔材料和生物工程材料等，不但在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械、医药和环保等诸多领域具有广泛的应用前景，而且相比其他理论也更适合用于研究特殊的连续体和地质材料，如岩石，砂土等的力学特性。
本文基于孔隙热弹性线性理论，首先建立了在移动周期载荷作用下二维孔隙热弹性地基动力响应问题的数学模型，其中包括动量平衡方程、平衡力的平衡方程、能量方程、周期性边界条件、初始条件等。在此基础上，分别采用微分求积法(DQM)和有限差分法(FDM) 在空间和时间域内对控制方程进行离散，并求解。作为算例，首先研究受移动谐载荷作用下孔隙热弹性地基的动力学响应。然后，分析了在极限车载作用下孔隙热弹性地基的动力学特性，考察了车速对沉降、孔隙体积百分比和温度的影响。通过计算和分析看到，本文提出的用于处理周期性问题DQM，具有精度高、收敛性好，计算效率高等特点。对于求解各种土质条件下地基的动力学响应具有独到之处。
1问题的数学描述
现代炼锌方法分为火法炼锌与湿法炼锌两大类,以湿法冶炼为主。
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)]
②联系人王书民,电话:(0914)2986027;手机:13991420293;E-mail:
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
