01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника *

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

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ-МИНИМУМ

Цель изучения дисциплины - приобретение базовых знаний и умений в области теплофизики и теплотехники, как наук, изучающих общие закономерности процессов переноса энергии и массы в веществе и их практическое использование.

В соответствии с паспортом специальности, изучившие данную дисциплину должны знать:

  • совокупность теплофизических свойств веществ;

  • физические механизмы процессов переноса;

  • основы термодинамики равновесных и неравновесных процессов, статистической механики, кинетической теории процессов переноса, гидрогазодинамики;

  • физико-математические модели, уравнения и общие закономерности процессов переноса энергии и массы, в том числе: в средах со специальными свойствами (капиллярно-пористых, анизотропных, реологически сложных и т.п.);   в условиях конвективного переноса, включая турбулентные потоки; при фазовых превращениях;

  • основные методы и приборы измерения теплофизических свойств веществ и  характеристик процессов переноса.

Изучившие данную дисциплину должны уметь:

  • применять полученные знания для осуществления конкретных теплофизических и теплотехнических расчетов в рамках данной программы;

  • осуществлять измерения основных теплофизических свойств веществ и характеристик процессов переноса;

  • осуществлять математическую обработку научных результатов, в том числе определять их погрешности и доверительные интервалы.

Подготовка к сдаче основана на использовании учебников и учебных пособий, монографий, материалов научных конференций, периодических изданий, а также на изучении материала в процессе выполнения диссертации.

2. ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ, УМЕНИЯМ И НАВЫКАМ АСПИРАНТА (СОИСКАТЕЛЯ)

Соискатель должен показать на экзамене профессиональные знания по соответствующим разделам науки, владение теоретическим аппаратом и современными методиками расчета и исследований.

3. СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

3.1. Введение

Ключевые слова: теплофизика, энергия, процессы переноса.

Роль процессов тепло- и массопереноса в природных явлениях, технике и обеспечении жизнедеятельности человека. Цели и задачи теплофизической науки. Связь теплофизики с другими отраслями знаний. Основные этапы истории развития теплофизики.

3.2. Основные теплофизические свойства веществ

Ключевые слова: плотность, теплоемкость, теплопроводность, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения.

Плотность жидкостей и газов. Зависимость плотности от температуры и давления. Уравнения состояния для идеальных газов и капельных жидкостей. Особенности теплового расширения воды. Связь коэффициента сжимаемости жидкостей со скоростью звука. Адиабатическая и изотермическая скорости звука в идеальном газе.

Вязкость жидкостей. Физическая природа сил вязкого трения - вязкое трение как результат процессов переноса импульса молекулами. Вязкие напряжения. Закон вязкого трения Ньютона. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости и их зависимость от температуры. Диссипация энергии как результат вязкого трения.

Свободная поверхность жидкости и ее особенности. Поверхностная энергия. Коэффициент поверхностного натяжения в жидкостях. Капиллярный скачок давления. Формула Лапласа. Смачивание и несмачивание жидкостью твердых поверхностей.

3.3. Термодинамика и статистическая механика

Ключевые слова: термодинамическое состояние, уравнение состояния, термодинамический процесс, закон термодинамики, тепловая машина, термодинамический цикл, термодинамическая функция

Термодинамический метод изучения состояний макроскопических систем.  Равновесные состояния и равновесные  процессы. Параметры и уравнения состояния. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Метастабильные состояния.

Первый закон термодинамики. Работа и количества тепла как функции процесса. Внутренняя энергия. Квазистатические процессы. Энтальпия, процесс Джоуля-Томсона

Тепловые машины. Цикл Карно. Коэффициент полезного действия тепловой машины.  Второй закон термодинамики.Различные формулировки второго закона. Термодинамическая  температурная шкала.  Энтропия, ее физический смысл. Понятие о вероятности термодинамического состояния и связь вероятности состояния с энтропией.

Третий закон термодинамики. Теорема Нерста.

Термодинамические функции: внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия, свободная энтальпия(термодинамический потенциал). Метод термодинамических  функций для исследования  термодинамических систем. Соотношения Максвелла. Уравнение Гиббса-Гельмгольца.

Системы с переменным количеством вещества. Химический потенциал. Экстремальные свойства термодинамических функций. Равновесие фаз. Фазовые переходы первого рода.Фазовые диаграммы. Тройная и критическая точки. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовые переходы второго рода. Многокомпонентные системы. Правило фаз Гиббса.

Химическое равновесие. Закон действующих масс, константа равновесия.

Статистические закономерности. Наиболее вероятное распределение. Фазовое М - пространство.     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. Вычисление термодинамических функций идеального газа в классическом приближении. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы ( классическая теория ). Двухатомный газ, квантование энергии,  поведение  вращательных и колебательных степеней свободы двухатомного газа, их вклад  в теплоемкость.

Системы взаимодействующих частиц. Понятие фазового Г - пространства, метод Гиббса. Теорема Лиувилля. Микроканоническое и каноническое распределения Гиббса.

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, вывод формулы Саха квазиклассической статистики.

3.4. Кинетическая теория процессов переноса и термодинамика неравновесных процессов

Ключевые слова: кинетическое уравнение, функция распределения, коэффициент переноса, плазма, неравновесный процесс.

Основные представления кинетической теории. Уравнение Фоккера - Планка, броуновское движение, соотношение Эйнштейна.       Функция распределе-ния молекул газа по скоростям. Вычисление макроскопических (средних) величин при заданной функции распределения. Частота столкновений, средняя длина свободного пробега, число Кнудсена. Кинетическое уравнение Больцмана. Различные режимы течения разреженных газов: течение со скольжением, свободномолекулярное течение. Вывод макроскопических уравнений переноса из уравнения Больцмана.

Элементарная теория процессов переноса в газе. Определение  коэффициентов вязкости, диффузии, теплопроводности. Кнудсеновская диффузия.

Процессы переноса в плазме.  Анизотропия процессов переноса в магнитном поле, амбиполярная (совместная) диффузия. Приближение магнитной гидродинамики. Кинетические уравнения плазмы. Кинетическое уравнение без столкновений. Самосогласованное поле.

Основы термодинамики неравновесных процессов.  Линейные законы и соотношения взаимности Онзагера. Уравнение для производства энтропии.

3.5. Тепло- и массоперенос

Основы теории подобия и метода анализа размерностей. Безразмерные критерии и числа подобия. П - теорема.

3.5.1. Гидрогазодинамика.

Ключевые слова: жидкость, газ, текучесть, вязкость, звук, ударная волна, реология, пограничный слой.

Кинематика сплошной среды. Поступательная, вращательная и деформационная составляющие движения. Тензор скоростей деформаций.

Уравнения движения идеальной жидкости. Уравнения неразрывности, Эйлера, энергии. Уравнение Бернулли. Сохранение циркуляции скорости. Потенциальное движение.

Звук. Скорость распространения малых возмущений в газе. Скорость звука.        До- и сверхзвуковое течения газа.  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. Уравнение Гогонио. 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. Характеристики. Распространение возмущений конечной интенсивности (возникновение в трубе ударных волн). Нестационарные  волны разрежения.Центрированные волны и автомодельные движения. Элементарная теория ударной трубы.

Газодинамика релаксирующей и реагирующей среды. Неравновесные режимы течения. Резонансное взаимодействие излучения с веществом. Эффекты усиления резонансного излучения. Газодинамический лазер.

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

Уравнения Навье-Стокса. Ламинарное течение жидкости в трубе. Закон Гагена-Пуазейля. Точные решения уравнений движения вязкой жидкости.

Пограничный слой. Движения вязкой жидкости при больших значениях критерия Рейнольдса. Вывод уравнений Прандтля для ламинарного пограничного слоя. Толщина вытеснения. Пограничный слой на пластине, автомодельное решение Блазиуса. Степенное распределение скорости на внешней границе слоя. Метод Кармана-Польгаузена.

Основные представления теории турбулентности. Переход ламинарного течения в турбулентное. Критические значения критерия Рейнольдса для трубы и пограничного слоя на пластине. Уравнения Рейнольдса осредненного турбулентного движения, тензор турбулентных напряжений. Полуэмпирические теории турбулентного переноса, турбулентная вязкость. Логарифмический профиль скоростей.

3.5.2. Теплопроводность.

Ключевые слова: коэффициент теплопроводности, закон переноса, уравнение теплопроводности.

Дифференциальное уравнение теплопроводности (диффузии). Линейные законы переноса Фурье, Фика. Краевые условия. Основные методы решения линейных краевых задач теплопроводности: метод Фурье, метод интеграции преобразований. Регулярный тепловой режим. Задача теплопроводности с движущейся границей раздела фаз (Задача Стефана). Решения задач теплопроводности для полуограниченного тела, неограниченной пластины, цилиндра и шара при граничных условиях первого, второго и третьего рода.

Понятие об обратных задачах теплопроводности. Общая постановка и классификация обратных задач теплопроводности. Краевая постановка граничной обратной задачи теплопроводности, сведение ее к интегральному уравнению 1 рода. Неустойчивость обратных задач.

Основные методы измерения теплофизических характеристик и тепловых потоков.

3.5.3.Конвективный теплообмен.

Ключевые слова: вынужденная конвекция, свободная конвекция, тепловой пограничный слой, турбулентный пограничный слой .

Дифференциальные уравнения конвективного теплопереноса и массопереноса. Закон Ньютона для теплообмена.

Теплообмен при вынужденном ламинарном течении жидкости. Система уравнений гидродинамического температурного и диффузионного пограничных слоев. Аналогия Рейнольдса. Температурный погранслой на пластине, автомодельные решения. Задача о теплопереносе в круглой трубе при ламинарном течении (задача Гретца-Нуссельта). Интегральные соотношения теории пограничного слоя. Приближенные методы решения задачи о теплопередаче в пограничном слое с любыми законами изменения скорости внешнего потока течения вблизи критической точки. Пограничные слои при сжимаемом течении. Коэффициент восстановления. Способы управления ламинарным погранслоем. Уравнения нестационарного пограничного слоя. Задача о развитии погранслоя при внезапном возникновении движения.

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 течении.

Теплообмен при вынужденном турбулентном течении жидкости. Расчет теплообмена при турбулентном течении жидкости в трубе. Теплоперенос в турбулентном погранслое.  Турбулентное число Прандтля, аналогия Рейнольдса в турбулентном потоке.

3.5.4. Тепло- и массоперенос при фазовых превращениях.

Ключевые слова: конденсация, кипение, сублимация, испарение.

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 кипении однокомпонентных жидкостей. Режимы кипения жидкости. Механизмы теплопереноса при пузырьковом кипении жидкости. Зависимость теплового потока от температурного напора. Отрывной диаметр пузыря, скорость роста и частота отрыва пузырей. Кризисы кипения. Механизм теплообмена при пленочном кипении жидкости.

Тепло-и массобмен при сублимации (испарении) с поверхности теплообмена. Формула для скорости интенсивного испарения вещества в вакуум. Формула Герца-Кнудсена и ее модификации. Задачи теплопроводности с движущейся границей испарения (сублимации) при воздействии внешнего теплового потока.

3.5.5. Капиллярно-пористые тела.

Ключевые слова: капилляр, поверхностное натяжение, пористая среда, фильтрация.

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. 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.

Физические основы тепловых труб, их устройство и принцип работы.

3.5.6. Теплообмен излучением.

Ключевые слова: тепловое излучение, закон излучения, поглощение, испускание, рассеяние.

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

Интегро-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.

4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4.1. Основная литература

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

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

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

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

  5. В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. Теплопередача.- М: Энергия – 1968.

4.2. Дополнительная литература

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

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

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

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

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

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

  7. М.Н.Коган. Динамика разреженных газов. -М.: Наука, 1967.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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