热力学第二定律教学中的思政元素挖掘

［摘 要］ “工程热力学”是能源动力类工科专业的一门重要专业基础课程，而热力学第二定律是“工程热力学”课程的核心难点。基于热力学第二定律专业知识授课与思想政治教学相融合的经验，提出在传授基本专业知识的同时，从“培养爱国情怀、树立民族自豪感”“树立正确人生价值、努力奋斗实现梦想”“增强辩证思维能力、培养独立思考习惯”以及“增强节能意识、引导学生实践”四方面提高学生的思想政治认识水平。近三年的教学实践表明，在热力学第二定律教学中融入思想政治教育，有助于激发学生的学习兴趣，取得了良好的教学效果。

［关键词］ 工程热力学；热力学第二定律；课程思政；价值观

［基金项目］ 2021年度南京航空航天大学项目式课程建设项目“飞行器多能源混合动力推进系统”（2021JG0221A）；2021年度南京航空航天大学课程建设类项目“工程热力学”（2021JG0221A）

［作者简介］ 王春华（1987—），男，江苏东台人，博士，南京航空航天大学能源与动力学院副教授，主要从事工程热物理研究；孙文静（1991—），女，江苏南通人，博士，南京航空航天大学能源与动力学院讲师（通信作者），主要从事工程热物理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）15-0065-04 ［收稿日期］ 2022-07-06

引言

课程思政是指将立德树人作为教育的根本任务，通过构建全员、全程、全方位育人格局的形式，将思想政治理论课与各类课程相融合的一种综合教育理念［1］。课程思政并不是一门专门的课程，而是在讲授各专业课程的同时，将思想政治教育的价值理念及精神追求融入课堂中，对学生的思想意识及行为产生积极影响［2］。一段时间以来，高等院校在专业基础课程教学方面存在一些短板和误区，即重视专业授课而忽略思想引导，导致部分学生思想迷茫和目标不明确，不同程度地存在学习动力不足的问题，进而影响专业课的学习效果。

工程热力学是一门研究热能和机械能相互转化规律及热能有效利用的科学，是能源动力等工科类专业的一门重要专业基础课程。作为工程热力学的核心，热力学第二定律指出能量的相互转化具有方向性，即热不可能自发地从低温物体传递至高温物体（克劳修斯表述），也不可能制造出从单一热源吸热，并使之全部转化为功而不产生其他任何变化的热力发动机（开尔文表述）。如何理解这两种表述一直是热力学第二定律学习的难点，如何在保证专业知识授课质量的同时合理引入思政元素也是课堂教学的难点［3］。

一、思想政治教育设计思路

思想政治教育不是简单、机械地安排思想政治内容，而是应该以专业知识授课为基本，适时引入思政元素，让学生在潜移默化中受到影响，做到润物无声［4］。本人在讲述热力学第二定律时，从以下四方面引入课程思政内容，实现了专业知识授课和价值观引领的有机统一。

（一）培养爱国情怀，树立民族自豪感

在讲述热力学第二定律时，结合相关知识点介绍爱国科学家的事迹，培养学生的爱国情怀，使学生树立民族自豪感。比如在讲述“熵”这一概念时，介绍清华大学的刘仙洲教授。刘仙洲教授于1918年获得香港大学工程科学学士学位，1928年任东北大学教授；1931年九一八事变后，日本帝国主义侵占我国东北三省，刘仙洲教授为了不做亡国奴，毅然辞去了东北大学的职务，前往唐山交通大学和清华大学从事机械原理和热机学的教学与科研工作；刘仙洲教授首次将英文中的“entropy”翻译为“熵”，并创译了“焓”（enthalpy）等名词，为我国热机学科的发展做出了重要的贡献。在讲述卡诺循环时，介绍我国著名的工程热物理专家吴仲华先生。吴仲华先生于1947年在麻省理工学院获得博士学位，任美国NACA（NASA前身）研究科学家，并于1954年放弃国外优厚待遇回到国内从事航空发动机和燃气轮机相关专业的研究，在国内外首次提出了叶轮机械三元流动理论（又称为吴氏通用理论），为我国相关学科的发展做出了重要的贡献。再比如，引入我国的航天之父钱学森先生的事迹。钱学森先生于1939年获得美国加州理工学院博士学位并留校任教，并于1949年担任美国加州理工学院教授和喷气推进中心主任。钱学森在美国期间一直关注中国科技事业的发展，尤其当中华人民共和国成立的消息传来，更坚定了钱学森放弃国外优厚待遇并报效祖国的决心。1950年，钱学森准备回国之际被美国政府拦截并关进特米那岛监狱14天，直至美国加州理工学院出资保释；1955年，经过中国与美国政府的反复谈判，中国政府以释放11名朝鲜战争期间俘获的美国飞行员为条件换取美国政府释放钱学森回国，钱学森一家终于回到了祖国的怀抱。回国之后，钱学森组建了我国第一个导弹和火箭研究所，奠定了我国“两弹一星”研制成功的基础；此外，钱学森在物理力学、应用力学、工程控制论等方面都做出了卓越的贡献，并提出了著名的“钱学森之问”，为我国高等教育的改革指明了方向。

（二）树立正确人生价值，努力奋斗实现梦想

热机从高温热源吸收热量，向低温热源放出热量，并对外输出功。热效率等于做功量与吸收热量的比值，是评价热机工作经济性的有效指标。热效率本质反映了热机“奉献量”与“索取量”的比值，增加循环热效率一直是科学家的追求。人与热机具有相似性，在社会生活中个人不能只讲究索取，也要讲奉献。通过向学生讲解科学家甘于清贫、乐于奉献的事迹，让学生树立正确的人生价值观，为实现梦想而努力奋斗。如我国的光物理学家马祖光院士，在国际上首次成功发现了Na2新的近红外连续谱区，为相关领域的科学技术发展做出了重要的贡献。在生活中，马祖光院士淡泊名利，与别人署名发表论文时，几乎每篇的署名都将自己放在末位；在自身经济利益上，马祖光院士也仅仅满足于“有馒头吃，有床睡，有几件衣服穿就行”，主动推辞学校分配住房，把房子留给更有需要的年轻人。再比如热力学第二定律的发现者之一克劳修斯，由于家境清贫，克劳修斯在大学期间不得不一边学习一边兼职以资助弟弟和妹妹上学；虽然工作兼职占用大量的时间，但克劳修斯凭借坚强的毅力，将打工而耽误的时间补了回来；在整个大学阶段，克劳修斯没有休息日，除了工作之外就是学习和做实验，始终没有一刻放松。我国“太行”发动机的总设计师张恩和先生，从1965年开始从事发动机设计工作以来，“除了吃饭、睡觉，就是在干发动机”。每一次实验，张恩和先生都必到现场，对每一个数据，都了如指掌，60多岁了还在装配台上爬上爬下，通宵分析数据；住院期间，张恩和先生收到四川江油一个发动机评审会的邀请，不顾医生和家人的劝阻，偷偷订了机票出发，出差回来后，张恩和先生连上楼的力气都没有，被搀扶着才进了家门；退休后，张恩和先生对所里提出“不要工资，只要一台电脑，让我继续为发动机干点活”的朴素要求，为我国航空发动机事业坚守了一生。

西安交通大学的陈大燮、陈学俊教授是我国热力学研究的开拓者和权威，为热力学科的发展做出了重要的贡献。在讲解热力学第二定律时可以介绍西安交通大学的“西迁精神”和这些老教授的艰苦奋斗事迹。1955年，国家做出了将交通大学由上海迁往西安办学的决定，因此，交通大学大部分专业师生义无反顾放弃了上海大城市的优厚生活条件，扎根大西北，艰苦奋斗，迅速投入教学和科研工作中。通过全校师生的共同努力，于1959年，将西安交通大学发展成为全国16所重点大学之一。“西迁精神”是在交大西迁过程中自发形成的精神，是一种胸怀大局、无私奉献、弘扬传统、艰苦创业的精神。“西迁精神”的核心是爱国主义，精髓是听党指挥跟党走，与党和国家、与民族和人民同呼吸、共命运，具有深刻的现实意义和历史意义。在“西迁精神”的鼓舞下，产生了一个又一个感人事迹。陈学俊先生原本在上海牯岭路附近有一套很好的住宅，但当时他坚决响应党中央的号召，舍弃了上海优越的生活条件，把房产无偿捐赠给当地房管局。陈大燮教授在抗美援朝期间，积极支持他唯一的女儿参军前往前线，且主动表态完全支持国家做出交大西迁的决定，把全家都带到了西安。陈大燮、陈学俊等教授的“西迁精神”激励了一代代的交大学子，当时还是高中生的陶文铨院士就曾表示“交大迁校也罢，不迁校也罢，我就是一定要考交大！”，至今陶院士仍保持早上九点起床，工作到凌晨三点的作息时间。通过这些事例的讲解，有助于让学生了解老一辈工程热物理学家的艰苦奋斗精神，明白任何成绩的取得背后都要付出很多的努力。

（三）增强辩证思维能力，培养独立思考习惯

热力学第二定律中的熵具有重要的哲学意义，熵理论的提出引起关于“热寂说”的探讨，介绍关于“热寂说”的发展历程以培养学生的独立思考能力。一般认为，“热寂说”是由热力学第二定律的发现者之一克劳修斯所提出，即宇宙可视为一孤立系统，依据孤立系统熵增原理，宇宙中的熵会不断增加，直至达到热平衡。“热寂说”的提出引起了哲学界和科学界的无数争论，但也没有任何一个人能完全证明“热寂说”是错误的。麦克斯韦对“热寂说”首先提出了公开质疑，他设计了一个假想的存在物“麦克斯韦妖”，并通过分析得出结论：热力学第二定律并不具有普适性，应该对热力学第二定律的应用范围加以严格限制。玻尔兹曼的“涨落说”也对“热寂说”构成了冲击，他认为涨落是在平衡态附近发生的，不论涨落有多大，最后必然重新回到平衡状态。普里高津提出了“耗散结构”理论，耗散结构是指一种远离平衡态的有序结构，系统处在热平衡态时熵值达到最高，即所谓的热寂状态，而有序结构的出现则意味着熵降低，系统可“起死回生”。因此，可以将“热寂说”作为引线，鼓励学生课后查阅相关文献并撰写自己的心得体会，培养学生的独立思考能力。

在向学生讲解热力学第二定律时，还可以介绍热科学历史上“热质说”和“热动说”之争。“热质说”将热看成一种具体的物质，这种热粒子非常微小，具有质量，且能透穿一切；英国物理化学家布莱克是“热质说”早期的主要支持者。自18世纪末开始，不断有人质疑“热质说”的准确性，譬如，“热质说”假设热是一种具有质量的粒子，但不同温度下的物体并不存在差别；“热质说”认为热质流守恒，但这在摩擦生热过程中明显不成立。在众多质疑中，伦福德和戴维的试验最为著名，伦福德发表论文《论摩擦激起的热源》，通过摩擦生热试验验证了“摩擦不仅可以生成热，而且可以生成无数数量的热”，否定了热质流守恒；戴维则通过一个巧妙的试验验证了热质或热的物质是不存在的，并发表了论文《论热、光和光的复合》。由于“热质说”的众多不足，“热动说”于1798年被伦福德引入，并经物理学家尼古拉·卡诺进一步发展。“热动说”认为热是一种运动，譬如物体之间的撞击和摩擦会发热，“热动说”的本质反映了机械功和热量在改变热力学能方面是等价的。从19世纪末开始，“热动说”逐渐取代“热质说”，成为科学界的主流。通过讲授“热动说”和“热质说”的发展历史，培养学生的独立思考能力。

熵理论的哲学意义还体现在揭示了物质世界的发展是熵减少和熵增加的辩证统一，即任何一个开放系统，同时存在熵的减小和增加，整个系统的熵是增加还是减小取决于二者的大小；熵理论揭示了世界发展是可逆性和不可逆性的统一，即世界发展整体是不可逆的，但在局部或阶段具有可逆性，使得世界的发展呈现一个螺旋上升的形式；熵理论揭示了世界发展是有序和无序的辩证统一，即任何物质系统都经历了一个包含产生、发展、衰老和死亡在内的过程，衰老和死亡是有序过程，而产生和发展则是无序的。通过引导学生形成上述认识，增强学生的辩证思维能力。

（四）增强节能意识，引导学生实践

热力学第二定律反映了热功转换的矛盾性，即热不可能完全转化为功而不引起其他变化。在大型火电厂，热能的利用率只有40%左右，绝大多数能量都以废热形式浪费，借此可以介绍我国能源利用的现状，增强学生的节能意识。我国是能源生产和消费大国，尽管能源生产总量位于世界前列，但人均占有能源量低于欧美日等发达国家，而单位国内生产总值的能耗及污染物排放则远高于发达国家。我国能源所面临的挑战主要体现在如下几方面：（1）能源安全，高度依赖于进口；（2）人均能源占有量低，但单位产值能耗高；（3）能源利用水平低，对环境和人体健康造成损害；（4）国际竞争激烈。通过上述数据的展示，让学生清晰认识到我国能源利用的严峻现状，养成节约能源的意识。

如何在符合热力学第二定律的前提下，尽可能提升热功转化效率是国内外科学家的不断追求。在讲解卡诺循环和卡诺定理时，可以以蒸汽循环发电、燃气轮机等为研究对象，让学生畅所欲言，提出能够提升热功转化效率的有效途径；在讲授逆向制冷循环时，可以让学生统计宿舍内空调的耗电量，验证“一夜一度电”实现的可能，提出提高空调工作效率的途径。同时，可以向学生介绍国内外的一些违背热力学第二定律的所谓“动力装置”，比如1881年美国人噶姆吉提出的一种利用海水热量汽化液氨，推动机械运转的设备，但这种装置无法运转，因为汽化后的液氨在没有低温热源的情况下无法液化，无法实现循环。另外，我国20世纪80年代的“水变油”骗局违背了热力学第一和第二定律，王洪成声称发明了一种水基燃料，只要在一瓶水中滴入一滴水基燃料，便可以实现水变油燃烧。根据热力学第一定律，水燃烧产生多少热量，水基燃烧便要有多少的能量，能量并不能被凭空创造，所以“水变油”违背了热力学第一定律；而根据热力学第二定律，孤立系统熵增加，电能、机械能、热能能质依次降低，反向不能实现100%的转化，利用水分解燃烧所产生的热量，得不偿失。有条件的学校可以对课程班学生进行分组实践（5～6名学生为一组），以组为单元进行热力学第二定律验证试验设计，并根据每组的完成情况进行打分，作为课程平时成绩。学生通过课程实践，可以加深对热力学第二定律的认识，激发学生的学习兴趣。