01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника *

* Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. № 108
 

Цели и задачи программы-минимум.

Ключевые слова: законы термодинамики, тепловые машины, термодинамические циклы, обратимые и необратимые процессы, энтропия, термодинамические потенциалы, фазовые переходы, влажный воздух, функции распределения, равновесное излучение, коэффициенты переноса, термодинамика плазмы, теория подобия, конвективный теплообмен, теплопроводность, конденсация, кипение, капиллярно-пористые тела, гидрогазодинамика, теплобменники, тепловые трубы, тепловые насосы.

Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки) соответствует паспорту данной специальности.

Цель программы-минимум состоит в информационном обеспечении фундаментальной и профессиональной подготовки аспиранта (соискателя) по специальности 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки).

Задачей программы является формирование у специалиста высшей квалификации общих методологических подходов к изучению цикла специальных дисциплин и их взаимосвязи со смежными областями, получение знаний, умений и навыков по теоретическим и практическим аспектам специальности 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки).

Требования к знаниям, умениям и навыкам аспиранта (соискателя).

Аспирант (соискатель) должен:

  • знать и владеть теоретическими основами в области теплофизики и теплотехники;

  • уметь и владеть навыками проведения лабораторного и вычислительного эксперимента при исследовании теплофизических процессов.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамический метод изучения состояния макроскопических систем. Феноменологический характер термодинамики.  Параметры состояния, равновесные и неравновесные термодинамические процессы. Законы идеального газа.

Первый закон термодинамики. Работа и теплота как функции процесса. Энтальпия, понятие о теплоемкости. Калорические и термические свойства вещества. Процесс Джоуля - Томсона.

Циклы ( прямые и обратные ), тепловые машины. Цикл Карно, коэффициент полезного действия тепловой машины. Формулировки второго закона термодинамики. Термодинамическая шкала температур. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия. Понятие о вероятности термодинамического состояния и связь вероятности состояния с энтропией.

Характеристические термодинамические функции: внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия, свободная энтальпия. Характеристические функции как термодинамические потенциалы. Соотношения Максвелла.

Дифференциальные соотношения для теплоемкостей. Связь между изобарной и изохорной теплоемкостями, их выражение через производные от энергии и энтальпии по температуре. Зависимость теплоемкости идеальных газов от температуры.

Уравнения состояния термодинамических систем. Термические и калорические уравнения состояния. Термические коэффициенты: изотермической сжимаемости, термической упругости, термического расширения. Уравнения Клапейрона - Менделеева и Ван-дер-Ваальса.

Системы с переменным количеством вещества. Химический потенциал. Термодинамическое равновесие. Принцип минимальности термодинамических функций. Условия термохимического равновесия в многофазных многокомпонентных системах. Фазовые переходы первого рода. Фазовые диаграммы. Тройная и критическая точки. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Правило фаз Гиббса. Фазовые переходы второго рода.

Термические и калорические свойства чистых веществ. Критическая точка. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Метастабильные состояния. Качественное отличие свойств реальных газов от идеальных. Термодинамические свойства веществ на линии фазовых переходов. Термодинамические свойства влажного пара и перегретого пара. Термодинамические диаграммы состояния вещества.

Влажный воздух. Характеристики состояния влажного воздуха. Влагосодержание, абсолютная и относительная влажность. Диаграмма состояний влажного воздуха. Температура точки росы.

Элементы химической термодинамики. Применение первого закона термодинамики к химическим процессам. Закон Гесса. Химическое равновесие, закон действующих масс, константа равновесия. Понятие о влиянии кинетики химических реакций на термодинамические и переносные свойства химически реагирующих систем.

II. СТАТИСТИЧЕСКАЯ  МЕХАНИКА, ФИЗИЧЕСКАЯ  КИНЕТИКА И ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ  ПРОЦЕССОВ. 

Распределения Бозе-Эйнштейна, Ферми-Дирака, Максвелла-Больцмана. Критерий вырождения газа. Равновесное излучение ( фотонный газ ), формула Планка. Тепловое движение в кристаллах, фононный газ. Закон Дюлонга и Пти, температура Дебая. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы ( классическая теория ). Двухатомный газ, вклад вращательных и колебательных степеней свободы в теплоемкость.

Системы взаимодействующих частиц. Метод Гиббса. Микроканоническое и каноническое распределения Гиббса.

Функция распределения молекул газа по скоростям. Вычисление макроскопических ( средних ) величин при заданной функции распределения. Средняя длина свободного пробега, число Кнудсена. Элементарная теория процессов переноса в газе, определение  коэффициентов вязкости, диффузии, теплопроводности. Кнудсеновская диффузия.

Физические процессы в плазме. Квазинейтральность и разделение зарядов. Электростатическое экранирование. Дебаевский радиус и плазменная частота. Термодинамика плазмы, внутренняя (тепловая и кулоновская) энергия плазмы. Плазма как идеальный газ. Равновесие ионизации,  формула Саха.

Процессы переноса в плазме, коэффициенты продольной и поперечной диффузии. Анизотропия процессов переноса в магнитном поле, соотношение Эйнштейна, амбиполярная (совместная) диффузия. Приближение магнитной гидродинамики.

Основы термодинамики необратимых процессов. Термодинамические силы и потоки. Линейные законы и соотношения Онзагера. Уравнение для производства энтропии.

III . ТЕПЛО - И МАССОПЕРЕНОС.

Основы теории подобия и метода размерностей. Безразмерные числа подобия. П - теорема. Уравнения подобия тепло-и массопереноса.

Теплопроводность.

Дифференциальное уравнение теплопроводности (диффузии). Законы Фурье, Фика, коэффициенты теплопроводности, температуропроводности, диффузии. Теплопроводность многокомпонентных растворов и газовых смесей. Формулировка краевых задач теплопроводности при граничных условиях I, II и  III рода, методы их решения. Основные методы измерения теплофизических характеристик и тепловых потоков. Понятие об обратных задачах теплопроводности. Неустойчивость обратных задач.

Конвективный теплообмен.

Дифференциальные уравнения конвективного теплопереноса и массопереноса. Закон Ньютона для теплообмена. Коэффициенты теплообмена, теплопередачи.

Теплообмен при вынужденном ламинарном течении жидкости. Температурный и диффузионный пограничные слои. Аналогия Рейнольдса.Температурный погранслой на пластине, автомодельные решения уравнений пограничного слоя. Задача о теплопереносе в круглой трубе при ламинарном течении (задача Гретца-Нуссельта).

Теплообмен при свободной конвекции. Система уравнений свободноконвективного теплообмена в приближении Буссинеска. Теплообмен в свободноконвективном погранслое у вертикальной пластины (задача Польгаузена). Переход свободноконвективного течения из ламинарного в турбулентное, критическое число Релея. Теплопередача при свободноконвективном турбулентном движении.

Теплообмен при вынужденном турбулентном течении жидкости. Переход ламинарного течения в турбулентное. Критические значения критерия Рейнольдса для трубы и пограничного слоя на пластине. Полуэмпирические теории турбулентности. Турбулентная вязкость, путь перемешивания Прандтля. Логарифмический профиль скоростей. Турбулентный перенос тепла. Расчет теплообмена при турбулентном течении жидкости в трубе. Теплопередача в турбулентном пограничном слое. Критериальные уравнения для теплообмена при турбулентных течениях. Аналогия Рейнольдса для ламинарного и турбулентного течений. Влияние шероховатости на теплоотдачу. Теплоотдача при поперечном омывании труб и пучков труб.

Теплоперенос в разреженных газах. Коэффициент аккомодации. Явления скольжения и температурного скачка в разреженных газах. Число Кнудсена. Различные режимы течения разреженных газов. Особенности теплообмена в свободномолекулярном течении, зависимость теплового потока от давления.

Тепло- и массоперенос при фазовых превращениях.

Теплообмен при конденсации пара. Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке. Теплообмен при конденсации пара из парогазовой смеси. Теплообмен при пленочной конденсации движущегося пара внутри трубы, на горизонтальных трубах и пучках труб.  Теплообмен при капельной конденсации.

Теплообмен при кипении однокомпонентных жидкостей. Режимы кипения жидкости. Механизмы теплопереноса при пузырьковом кипении. Зависимость теплового потока от температурного напора. Отрывной диаметр пузыря, скорость роста и частота отрыва пузырей. Структура двухфазного потока и теплообмен при кипении жидкости внутри труб.Теплоотдача при дисперсно-кольцевом режиме течения.

Кризисы кипения. Механизм теплообмена при пленочном кипении жидкости. Теплообмен при ламинарном движении паровой пленки. Теплообмен при турбулентном движении паровой пленки.

Тепло-и массобмен при сублимации (испарении) с поверхности теплообмена. Формула для скорости интенсивного испарения вещества в вакуум. Формула Герца-Кнудсена.

Теплообмен излучением.

         Основные законы теплового излучения. Закон Планка, закон Стефана-Больцмана. Закон Кирхгофа, закон Ламберта. Поглощение, испускание и рассеяние излучения. Индикатриса рассеяния. Угловые коэффициенты излучения.

Инегро-дифференциальное уравнение переноса излучения, двухпотоковое приближение. Оптическая толщина среды, приближения оптически тонкого и оптически толстого слоя. Коэффициент лучистой теплопроводности. Совместный перенос тепла теплопроводностью и излучением.

Капиллярно-пористые тела.

Капиллярно-пористые тела, их структурные характеристики. Поверхностное натяжение, капиллярное давление, формула Томсона.

Закон фильтрации Дарси, коэффициент проницаемости. Уравнения фильтрации для насыщенных сред. Феноменологические теории тепло-и массопереноса в пористых средах, квазигомогенное приближение, эффективные коэффициенты диффузии.

Ненасыщенные пористые среды. Формы связи влаги сматериалами. Изотермы сорбции и десорбции. Многофазная фильтрация. Функция Леверетта. Системы уравнений тепло-и массопереноса при многофазной фильтрации в двухтемпературной модели. Коэффициент внутреннего теплообмена. Система уравнений взаимосвязанного тепло-и массопереноса (теория А.В.Лыкова). Конвективная диффузия в пористых средах, дисперсионные эффекты. Основы фильтрационного горения.

Гидрогазодинамика.

Уравнения движения идеальной жидкости: уравнения неразрывности, Эйлера, энергии. Уравнение Бернулли. Потенциальное движение.

До-и сверхзвуковое течения газа. Число Маха. Предельная скорость стационарного истечения газа в пустоту.

Поверхности разрыва. Тангенциальные разрывы и ударные волны. Изменение термодинамических параметров газа при прохождении его через ударную волну. Ударная адиабата. Гидродинамика горения: медленное горение и детонация.

Стационарное течение газа в канале переменного сечения. Расчетные и нерасчетные режимы течения. Сопло Лаваля.

Нестационарное одномерное течение идеального газа. Распространение возмущений конечной интенсивности (возникновение в трубе ударных волн). Волны разрежения. Элементарная теория ударной трубы.

Динамика вязкой жидкости. Связь между тензором напряжений и тензором скоростей деформаций. Реологический закон Ньютона. Ньютоновские вязкие жидкости. Основные реологические законы неньютоновских вязких жидкостей.

Уравнения Навье-Стокса. Ламинарное течение жидкости в трубе. Закон Гагена-Пуазейля. Движения вязкой жидкости при больших значениях критерия Рейнольдса. Вывод уравнений Прандтля для ламинарного погранслоя. Толщина вытеснения. Пограничный слой на пластине, автомодельное решение Блазиуса.

IV. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ И ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.

Паросиловые циклы, цикл Ренкина, цикл с промежуточным перегревом пара. Понятие о паровых котлах, паровых турбинах осевых и радикальных. Понятие о теплофикационном цикле.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных двигателей и понятие о газотурбинных и парогазовых установках, зависимость коэффициента полезного действия ус-тановок от термодинамических параметров циклов.

Холодильные (обратные) циклы. Холодильные установки: воздушные, парокомпрессионные, абсорбционные. Принцип работы теплового насоса. Понятие о методах получения сжиженных газов.

Термодинамический анализ работы компрессоров. Варианты процесса сжатия в компрессоре. Поршневые и ротационные компрессоры. Многоступенчатые компрессоры. Изображение рабочих процессов компрессора в энтропийных диаграммах. Понятие о работе центробежных и осевых компрессоров.

Физические основы тепловых труб. Устройство и принцип работы тепловых труб. Виды тепловых труб. Особенности процессов тепло-и массопереноса в тепловых трубах.

Классификация и принцип работы теплообменников. Рекуперативные и регенеративные теплообменники. Основные конструкции прямо-и противоточных теплообменников-рекуператоров. Расчет средней разности температур при прямотоке и противотоке. Различные схемы расположения повехностей теплообмена при перекрестном токе. Теплопередача при перекрестном токе. Принцип действия и конструкции регенераторов. Уравнения теплового баланса в регенераторах.

Дифференциальные уравнения, описывающие распределение температур в регенераторе. Характерные распределения температур в насадке регенератора. Соотношения для коэффициента теплопередачи в регенераторе.

Коэффициенты полезного действия и методы сравнения циклов теплосиловых установок.

Методы интенсификации теплообмена.

Развитые поверхности теплообмена рекуперативных теплообменных аппаратов.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика.-М.: Наука, 1972

  2. Базаров И.П. Термодинамика - М.: Наука,1961

  3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая          термодинамика.-М.:Энергия,1974

  4. Вукалевич М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика.- М: Энергия, 1968   

  5. Мартыненко О.Г.,Саковишин Ю.Л. Свободкоконвективный   теплообмен.Справочник.-Мн.:Наука итехника,1982

  6. Лыков А.В. Теория теплопроводности.-М.:Высшая школа,1967

  7. Лыков А.В.Теплообмен.Справочник.-М.:Энергия,1972

  8. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М: Энергия, 1975

  9. Павлюкевич Н.В.,Горелик Г.Е.,Левданский В.В.,Лейцина В.Г.,Рудин Г.И. Физическая кинетика и процессы переноса при фазовых превращениях.-Мн.: Наука и техника,1980

  10. Шульман З.П. Конвективный тепломассоперенос реологически сложных жидкостей.-М.: Энергия, 1975

  11. Зигель Р., Хауэлл Д. Теплообмен излучением.-М.: Мир,1975

  12. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен.-М.: Мир,1976

  13. Морс Ф. Теплофизика.-М.: Наука, 1968

  14. Цянь Сюэ-Сень. Физическая механика.-М.: Мир, 1965

  15. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы.-М.: Атомиздат,1964

  16. Коган М.Н.Динамика разреженных газоыв.-М.: Наука,1967

  17. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика.-М.: Наука,1986

  18. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.-М.: Наука,1970

  19. Бурштейн А.И.,Солоухин Р.И. Физика молекулярных и сплошных сред.- Новосибирск: Изд.НГУ,1972

  20. Солоухин Р.И. Ударные волны и детонация в газах.-М.: Физматгиз,1963

  21. Зельдович Я.Б.,Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений.-М.: Физматгиз,1963

  22. Лифшиц Е.М.,Питаевский Л.П. Физическая кинетика - М.: Наука,1963

  23. Анисимов С.И.,Имас Я.А.,Романов Г.С.,Ходыко Ю.В.Действие излучения большой мощности на металлы.-М.: Наука,1970

  24. Хейфец Л.И.,Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах.- М.: Наука,1982

  25. Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1972

  26. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике.-М.: Наука,1965

  27. Гухман А.А.Введение в теорию подобия.-М.: Высшая школа,1963

  28. Карелоу Х.С., Егер Д.К. Теплопроводность твердых тел.-М.: Наука,1964

  29. Тихонов А.Н.,Самарский А.А.Уравнения математической физики.-М.: Наука,1966

  30. Шлихтинг. Теория пограничного слоя.- М.: Наука,1969

  31. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.-М.: Атомизд,1979

  32. Васильев Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах.-Мн.: Наука и техника,1981

  33. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы

  34. тепловых труб.- М: Атомиздат, 1978

  35. Колесников П.М. Методы теории переноса в нелинейных средах.-Мн.: Наука и техника,1981

  36. Теория тепломассообмена (под редакцией А.И.Леонтьева) - М.: Высшая школа

  37. Теплопередача в двухфазном потоке (под редакцией Д.Баттерворса и Г.Хьюитта) - М.: Энергия,1980

  38. Адзерихо К.С. Лекции по теории переноса лучистой энергии -Мн.: Изд.БГУ, 1975

  39. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена М.: Машиностроение,1988

  40. Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов.М.: Машиностроение,1979

  41. Сергеев О.А.,Шашков А.Г. Теплофизика оптических сред.- Мн.: Наука и техника,1973

  42. Физико-химические и теплофизические свойства растворов на основе четырехокиси азота.- Под редакцией В.Б.Нестеренко.- Минск.- Наука и техника.- 1981.

  43. А.Миснар. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций.- М.- Мир.- 1968.

  44. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе.- М: Энергоиздат – 1981

  45. Фраас А.Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников.- М: Атомиздат – 1971

  46. Лебедев Д.П., Перельман Т.Л. Тепло-и массообмен в процессах сублимации в вакууме.- М: Энергия, 1973

  47. Добрего К.В., Жданок С.А. Физика фильтрационного горения газов. Мн., ИТМО, 2002.

  48. Себиди Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. М.: Мир, 1987. Int. Encyclopedia of Heat and Mass Transfer. N.Y., 1996.

  49. Пригожин И., Кандепури Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. - М.: Мир, 2002. - 461 с.

  50. Теплотехника / И.А.Архаров, В.И.Афанасьев и др. - М:Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 712 с.