模块教学在物理化学教学中的应用*

安庆锋，李 红

(1 青岛理工大学(临沂)，山东 费县 273400；2 聊城大学材料科学与工程学院，山东 聊城 252000)

物理化学作为土木工程专业工程化学基础课程中的有机组成部分，是研究物质性质及物质变化规律的基础理论课程，通过本课程的学习，使学生掌握土木工程材料的选择和使用中所需的化学基本知识，并且认识和理解土木工程项目实施对环境、社会可持续发展的影响[1]。在学习过程中，学生不应该单纯的记公式和计算，更重要的是通过这门课的学习，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的逻辑思维能力和严谨的科学研究的态度，为以后的学习和工作打下坚实的基础。国家自然科学基金委员会在自然科学学科发展战略调研报告物理化学卷中指出：实践表明，凡是具有较好物理化学素养的大学本科毕业生，适应能力强，后劲足，由于有较好的理论基础，他们容易触类旁通、自学深造，能较快适应工作的变动，开辟新的研究阵地，从而有可能站在国际科研发展的前沿[2]。

一直以来，物理化学是公认的教师难教，学生难学的一门课。许多教师也探讨了一些研究方法，如案例教学法[3]、小班研讨法[4]、驱动教学法[5]等，但这些方法或者只适用于个别章节或者受教学条件的限制在实际操作中很难实现。如何使学生在有限的课时中掌握众多的公式一直是教师在教学中探讨的问题。本文以体积功的计算为例，讨论了模块教学法在物理化学教学过程中的重要作用。通过这种教学方法，可以使学生分专题掌握众多内容，众多的公式，尤其是公式的使用条件。学完热力学第一定律之后，把体积功作为一个专题，一个模块单独给学生讲解。实践证明，热力学公式的掌握不能单纯的靠死记硬背，必须掌握公式的推导过程，才能做到灵活应用公式解决实际问题。

1 模块名称—体积功的计算

图1 不同过程体积功计算总结

2 不同过程体积功公式的导出

2.1 理想气体体积功公式的推导

2.1.1 根据过程特点直接得出结果的过程

(1)自由膨胀过程：外压为零的过程称为自由膨胀过程。因为Pe=0，所以该过程的W=0。

(2)等容过程：系统在变化过程中保持体积不变，则dV=0，所以W=0。

2.1.2 简单推导即可得到公式的过程

(1)等外压过程：系统在变化过程中外压保持不变的过程。根据基本公式有：W=-PeΔV。

2.1.3 带入状态方程式推导的过程

(1)理想气体等温可逆过程

(2)绝热过程

①任何绝热过程

因为绝热过程中Q=0，根据热力学第一定律有W=ΔU=nCV,m(T2-T1)。由于此公式从绝热过程的特点入手推导而得，所以无论是可逆还是不可逆，无论是理想气体还是实际气体的绝热过程都可以用。

②理想气体绝热可逆过程[6]

②绝热不可逆过程

对于不可逆过程，热力学没有现成的公式。此类过程要借助于(1)中的公式求体积功，关键要求出终态的温度T2，而计算终态温度时绝对不能用理想气体可逆过程的状态方程式TVγ-1=K1，p1-γTγ=K2等来求。

例：在273 K和1000 kPa时，取10 dm3理想气体，在等外压100 kPa下绝热不可逆膨胀到终态压力为100 kPa。计算该过程气体所做的功。已知CV,m=1.5R。

解：此过程为绝热不可逆过程，体积功的计算只能从绝热过程的特点入手，终态温度的求法不能用绝热可逆过程的状态方程式计算，而应该通过如下途径：

因为这是等外压过程：

又因为此为绝热过程W=ΔU=nCV,m(T2-T1)

联立两个做功的表达式：

在上述方程中只有T2是未知数，代入CV,m=1.5R，T1=273K,p1=1000 kPa,p2=100 kPa，解得T2=175 K

W=nCV,m(T2-T1)=4.41 mol×1.5×8.314 J·K-1·mol-1×(175K-273K)=-5.39 kJ

(3)理想气体多方可逆过程

此过程大部分教材中没有过多的介绍，它是介于理想气体等温可逆和绝热可逆之间的一个过程，三个过程状态方程式的比较：

此过程的状态方程式和绝热可逆过程状态方程式形式上是一样的，所以推导过程也相同，体积功的计算公式形式上也相同。

2.1.4 相变过程

相变过程是热力学常见的一种过程，如液体的汽化或固体的升华过程，因为相变在等温等压条件下进行，液体(或固体)的体积与同量气体的体积相比可忽略(Vg≫Vl，Vg≪Vs)，若气体视为理想气体，W=-PΔV=-P(Vg-Vl)=-PVg=-nRT。

2.1.5 其它过程

如果在计算中遇到的不是常见的上述特殊过程，我们没有现成的公式，有些同学就会生搬硬套的用已有的公式，这是初学者最易犯的错误。如我们经常见到PT=K(K为常数)的可逆过程，我们没有现成的公式，那么就要从最基本的公式入手，自己推导公式。

2.2 实际气体的状态变化过程

3 结 语

通过模块教学法的引入，学生对体积功有了更深层的认识，对公式的使用条件更加明朗，能够认识到在计算之前先要分清是什么样的途径，然后再决定用哪个公式，不再出现生搬硬套的情况。同时，通过模块教学法，提高了学生分析问题和解决问题的能力，提高了对所学知识的灵活应用能力，做到了举一反三。在公式的推导过程中也培养了学生的逻辑思维能力和自学能力[7]。