01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника, техн.

Постановление президиума ВАК от 24 октября 2001 г. № 141
 

I. 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. Температура и точка Бойля. Понятие об общей форме уравнения состояния реальных газов Майера-Боголюбова.

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.

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. Вычисление термодинамических функций идеального газа в классическом приближении. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы ( классическая теория ). Двухатомный газ, квантование энергии. 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. 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.

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.

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

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 критерии и числа подобия. П - теорема. Критериальные уравнения 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. Краевая постановка граничной обратной задачи теплопроводности, сведение ее к интегральному уравнению 1 рода. 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. Приближенные методы решения задачи о теплопередаче в погранслое со степенным законом изменения скорости внешнего потока. 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. Кнудсеновская диффузия.

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 и ее модификации. Задачи теплопроводности с движущейся границей испарения (сублимации) при воздействии внешнего теплового потока.Тепло-и массообмен при сублимации в пористых телах, в процессе сублимационной сушки.

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.

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. Метод Кармана-Польгаузена.

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.

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. Эккерт Е., Дрейк Т. Введение в теорию тепло-и массообмена.-М.: ИЛ.,1962
  33. Васильев Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах.-Мн.: Наука и техника,1981
  34. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы 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