Mathematica软件在化工热力学教学中的应用.docx

Mathematica软件在化工热力学教学中的应用罗明检,张海燕(大庆石油学院化学化工学院,黑龙江大庆163318)[摘要]化工热力学以公式多,计算复杂成为化工专业难教难学的课程之一。本文介绍Mathematica在状态方程参数确定、体积根的求解、相平衡计算等教学过程中的应用。该软件可使复杂、抽象的化工热力学计算过程具体化,将传统教学中不适合课堂教学的内容引入课堂中。利用Mathematica进行化工热力学教学可成为PowerPoint等多媒体教学的一种补充方式。[关键词]化工热力学;状态方程;相平衡;MathematicaTheApplicationofMathematicaintheAssistingInstructionofChemicalandEngineeringThermodynamicsLuoMingjian,ZhangHaiyanAbstract:VariousandcomplicatedformulasandcalculationsbringChemicalandEngineeringThermody2namicstobeoneofthemostdifficultcourseforteachersandstudents.Inthisarticle,calculatingproces2ses,suchasparametersdeterminationofequationofstate,volumetricrootsolvingandphaseequilibriummodeling,areintroducedwiththeassistingofMathematica.Withthissoftware,thecomplicatedandab2stractmodelingprocessbecomesembodimentandcontentsunsuitableforclassroomteachingintraditionalmodebecomefeasible.TheapplicationofMathematicaisagoodsupplement.Keywords:ChemicalandEngineeringThermodynamics;EquationofState;PhaseEquilibrium;Math2ematica化工热力学是化学工程学科的重要分支和基础学科,是化工过程开发、设计和生产的重要理论依据。化工热力学是化学工程与工艺专业的主干专业基础课之一,也是该专业学生学习其他专业基础课和专业课的重要基础,又与前修课程物理化学有着十分密切的关系,因此,它在化学工艺专业的课程体系中有承上启下的重要作用。在化工热力学教学过程中,公式多,计算复杂成为严重影响教学效果的主要因素。[1～5]同时,热力学性质计算和相平衡计算是化工热力学的重要内容。以应用为中心的热力学教学有必要在课堂上解决复杂的计算问题。[2,6～9]陈新志等提供了热力学性质及相平衡计算程序,[10]但学生无法了解此程序内部的计算过程;高光华等提供了计[作者简介]罗明检(19802),男,讲师,硕士;张海燕(19572),女,教授,硕士。74Mathematica软件在化工热力学教学中的应用算热力学性质的FORTRAN程序,[11]有程序设计基础的学生可了解内部的计算步骤,但不方便用于课堂教学。Matlab,Mathematica和Math2CAD等数学软件不仅应用于科学研究和工程计算领域,也已应用于教学领域,教师和学者们发表了大量相关论文(表1)。从表1可以看出,Mat2lab使用得最为广泛。但Mathematica和Math2CAD更接近数学的书写格式,更加适合未专门学习过这些软件的学生。与MathCAD相比,Mathematica编程能力更强。因此,可利用Mathematica软件强大的符号运算和数值计算功能,在课堂上实现复杂化工热力学计算问题,使抽象的热力学计算具体化,减轻学生的恐惧心理,提高学生的学习兴趣和积极性。表1常用数学软件的教学论文数据表注:引自中国知网,在标题中检索以上关键词,截至2009年6月19日本文以立方型状态方程的有关计算为例简单介绍Mathematica在化工热力学教学中的应用。一、立方型状态方程的参数→3RTcV8pc在Mathematica里“,%”表示上一个计算结果“,/.”表示变量替换,上一个计算结果的表达式5p状态方程在临界点处应该满足=0和5V里的p和T可用pc和Tc替代,这就得到了vanderWaals方程临界点处的参数值。对RK方程,SRK方程和PR方程可进行类似的分析,如SRK方程Tc52p=0,由此可求出立方型状态方程的ac和5V2Tcbc,同时还可确定Vc和Zc。vander的参数求解过程可表示如下W