Теплофизика и теоретическая теплотехника. Теплофизика и теоретическая теплотехника Формула специальности: Для физико-математических наук «Теплофизика и теоретическая теплотехника. Термодинамика и статистическая физика

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

«УТВЕРЖДАЮ»:

И. о. проректора-начальник

управления по научной работе

_______________________

__________ _____________ 2011 г.

ТЕПЛОФИЗИКА И

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:

_____________________________//

«______»___________201__г.

Рассмотрено на заседании кафедры механики многофазных систем «21» апреля 2011 г., протокол

Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.

Объем 15 стр.

Зав. кафедрой ______________________________//

«______»___________ 2011 г.

Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ «___»______________2011 г., протокол № _____.

Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы .

«СОГЛАСОВАНО»:

Председатель УМК ________________________//

«______»_____________2011г.

«СОГЛАСОВАНО»:

Нач. отдела аспирантуры

и докторантуры_____________

«______»_____________2011 г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики, естественных наук и информационных технологий

Кафедра Механики многофазных систем

ПАХАРУКОВ Ю. В.

ШАБАРОВ А. Б.

ШАСТУНОВА У. Ю.

ТЕПЛОФИЗИКА И

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Учебно-методический комплекс.

Рабочая программа для аспирантов специальности 01.04.14

«Теплофизика и теоретическая теплотехника»

Очной и заочной форм обучения

Издательство

Тюменского государственного университета

2011

, . Теплофизика и теоретическая теплотехника. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для аспирантов специальности 01.04.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника, очная и заочная форма обучения. Тюмень, 2011, 15 стр.

Рабочая программа составлена в соответствии с ФГТ к структуре основной профессиональной образовательной программы послевузовского профессионального образования (аспирантура).

Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Теплофизика и теоретическая теплотехника [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. *****., свободный.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой Механики многофазных систем, д. т.н., профессор

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа включает следующие разделы:

1. Пояснительная записка

1.1. Цели и задачи дисциплины (модуля)

Цель дисциплины - ознакомить аспирантов с основными проблемами современной теплофизики, с теплофизическими процессами спецпроизводств и подготовить студентов к изучению спецкурсов, расчету проектов и выполнению индивидуального спецпрактикума .

Задачи учебного курса:

· овладение аспирантами аналитических методов решения задач теплопроводности при различных граничных условиях, конвективного тепломассопереноса, по процессам переноса тепла при кипении и конденсации среды;

· познакомить аспирантов с основными положениями теории конвективного теплопереноса, напомнить об основных представлениях для решения задач по свободной и вынужденной конвекции, рассмотреть особенности процессов переноса в турбулентном потоке;

· углубленно изучить уравнения пограничного слоя (гидродинамического, теплового, диффузионного);

· углубленно изучить представления о кипении и конденсации среды;

· вспомнить и изучить новые методы расчета сложного теплообмена, в том числе при изменении агрегатного состояния вещества;

· ознакомление аспирантов с устройством и процессами, происходящими в сверхтеплопроводных теплопередающих устройствах - тепловых трубах, теплообменными аппаратами.

1.2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Теплофизика и теоретическая теплотехника» – это специальная дисциплина отрасли науки и специальности, которая входит в базовую часть.

При изучении курса используются знания, полученные аспирантами при изучении в специалитете или бакалавриате курсов: «Физика», «Математический анализ», Теплофизика», «Термогазодинамика», «Холодильные машины и установки», «Тепломассообменные аппараты низкотемпературной установки », «Теория и расчет теплообменных аппаратов», «Проектирование и эксплуатация теплообменных аппаратов», «Тепловые методы повышения нефтеотдачи пластов», «Техника и технологии добычи нефти и газа».

1.3. Требования к результатам освоения дисциплины:

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

· готовностью и способностью использовать фундаментальные законы природы и основные законы естественно-научных дисциплин в профессиональной деятельности ;

· способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования безопасности , в том числе защиты государственной тайны;

· способность вскрыть физическую, естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, провести их качественный и количественный анализ;

· способность осуществлять научный поиск и разработку новых перспективных подходов и методов к решению профессиональных задач, готовность к профессиональному росту, к активному участию в научной и инновационной деятельности , конференциях, выставках и презантациях.

В результате освоения дисциплины аспирант должен:

· Знать:

– основные методы дифференциального и интегрального исчислений, применяемые при решении задач тепломассопереноса;

– физические основы тепломассопереноса;

– элементы математической теории нестационарного тепломассопереноса и теории фильтрации;

– решение важнейших стационарных задач тепломассообмена;

– методы измерения теплофизических параметров вещества;

Основные положения конвективного, лучистого переноса, тепломасообмен при конденсации и кипении;

· Уметь:

– применять методы дифференциального и интегрального исчислений, при решении задач стационарного и нестационарного тепломассопереноса;

– получать расчетные формулы для различных процессов движения жидкости и газов в пористой среде;

– применять методы решения задач с фазовыми переходами;

· Владеть:

– методами измерения теплофизических параметров вещества;

– методами анализа тепломассопереноса в технологических процессах;

– методами расчета температурных полей и тепловых потоков;

– технологией уменьшения потерь тепла при эксплуатации промышленных объектов.

2. Структура и трудоемкость дисциплины.

Данная дисциплина читается в 4 семестре и содержит 144 часа, из них 36 часов лекций, 18 часов – лабораторных занятий, 90 часов – самостоятельной работы. Обязательное написание 1 контрольной работы и 1 реферата теме диссертационного исследования. Форма промежуточной аттестации – кандидатский экзамен.

3. Тематический план.

Таблица 1.

Тематический план

	Всего часов	виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.	4. из них в интерактивной форме	Фор-мы конт-роля
семинарские (практические) занятия*	лабораторные занятия*	самостоятельная работа*

1.Основные законы теплопроводности. Стационарные задачи теплопроводности. Нестационарные задачи теплопроводности.
2. Начальные и граничные условия для уравнения теплопроводности. Безразмерные параметры тепломассопереноса.
3. Теплообмен излучением. Конвективный теплообмен. Теплофизические свойства веществ и методы их измерения.
4. Основные положения теории конвективного переноса. Движение вязкой жидкости. Уравнение Навье-Стокса. Динамический и тепловой пограничные слои. Диффузионный пограничный слой.
5. Теория подобия. Критериальные уравнения. Теплоомассообмен при внешнем обтекании тел.
6. Тепломассообмен при внутреннем течении в трубах и каналах.
7. Тепломассообмен при течении жидкости через пористую стенку. Тепломасообмен излучением.
8. Тепломасооперенос вблизи поверхности «жидкость-газ». Тепломасообмен при конденсации пара. Виды конденсации.
9. Тепломасообмен при кипении.

из них часов в интерактивной форме

Таблица 2.

Введение

В основу настоящей программы положены следующие разделы физики: термодинамика и статистическая физика; теория неравновесных процессов; физика газов и плазмы, фазовые переxоды, физика твёрдого тела.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации по физике при участии Московского государственного областного университета.

1. Термодинамика и статистическая физика

Законы термодинамики. Термодинамические функции. Термодинамические неравенства. Распределение Гиббса. Энтропия. Статистическое обоснование закона возрастания энтропии. Распределение Гиббса для систем с переменным числом частиц. Статистическое описание идеального газа. Распределение Больцмана. Термодинамические свойства двухатомного газа с молекулами одинаковых и разных атомов. Закон равнораспределения. Квантовая статистика идеального газа. Распределение Бозе. Бозе-конденсация. Термодинамика черного излучения. Распределение Ферми. Теплоемкость вырожденного ферми-газа. Условие химического равновесия. Закон действующих масс. Теплота реакции. Термическая диссоциация, ионизация, возбуждение. Неидеальные газы. Разложения по степеням плотности. Вириальные коэффициенты. Фазовые переходы первого и второго рода. Термодинамическая теория Ландау фазовых переходов второго рода. Теория флуктуаций. Распределение Гаусса. Флуктуации основных термодинамических величин. Формула Пуассона. Корреляция флуктуаций. Флуктуации в критической точке. Корреляция флуктуаций во времени. Термодинамика поверхности. Поверхностное натяжение и поверхностное давление. Равновесие между поверхностной фазой и газом. Теория образования зародышей при фазовых переходах первого рода.

2. Теория неравновесных процессов

Уравнения переноса, основы термодинамики необратимых явлений. Соотношение симметрии кинетических коэффициентов Онсагера. Применения методов неравновесной термодинамики к явлениям в сплошных средах с одновременным протеканием различных процессов: диффузии, теплопроводности, вязкости, химических реакций. Кинетическое уравнение Больцмана. Н - теорема. Вывод уравнения Больцмана на основе баланса числа частиц. Идеи метода Чепмена-Энского и Грэда. Вывод гидродинамических уравнений из уравнений Больцмана. Вычисление кинетических коэффициентов. Влияние химических реакций и внутренних степеней свободы на явления переноса. Случайные блуждания и броуновское движение. Уравнение Ланжевена. Уравнение Фоккера-Планка. Релаксационные явления. Основное кинетическое уравнение. Колебательная релаксация. Вращательная релаксация. Кинетика диссоциации и ионизации. Газовые лазеры. Столкновительные механизмы создания инверсной населенности. Распространение звука в газе, дисперсия и затухание звука. Вторая вязкость. Ударные волны. Законы сохранения на фронте ударной волны. Ударная адиабата. Структура ударной волны в газах. Истечение газа через сопло.

3. Физика газов и плазмы

Взаимодействие молекул. Источники сведений о межмолекулярных силах. Различные составляющие межмолекулярных сил. Потенциальные функции межмолекулярного взаимодействия. Упругие и неупругие столкновения. Уравнение состояния идеального газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний, термодинамическое подобие. Теплоемкость. Сжимаемость. Эффект Джоуля-Томпсона. Методы измерения термодинамических величин. Явление переноса в газах. Вязкость. Теплопроводность. Диффузия. Термодиффузия. Пристеночные явления в умеренно разреженном газе. Термомолекулярная разность давлений. Кинетические явления в сильн разреженном газе (газ Кнудсена). Методы исследования явлений переноса. Методы получения сверхнизких и высоких давлений. Диффузионные методы разделения изотопов. Низкотемпературная плазма. Дебаевский радиус. Ионизационное равновесие. Формула Саха. Кинетика ионизации. Явление переноса в плазме. Излучение плазмы.

4. Физика жидкостей

Строение жидкости. Радиальная функция распределения. Изучение структуры жидкости методом рассеяния рентгеновских лучей. Уравнения состояния жидкости и плотных газов. Плотность, сжимаемость, теплоемкость. Статистическая теория жидкостей. Частичные функции распределения, методы интегральных уравнений. Модельные теории. Компьютерное моделирование. Явление переноса и релаксации в жидкости. Вязкость, теплопроводность, диффузия и самодиффузия. Сопротивление и теплопередача в ламинарном потоке. Конвективный теплообмен. Турбулентное движение и турбулентный теплообмен. Кризис сопротивления. Модели турбулентности. Методы расчета турбулентных явлений в газе, жидкости и плазме. Радиационный теплообмен и радиационная газовая динамика. Изучение теплового движения в жидкостях по рассеянию света и медленных нейтронов. Пространственно-временная корреляционная функция. Поверхностные явления. Поверхностное натяжение, смачивание. Осмотическое давление. Экзотические жидкости, жидкие кристаллы, жидкие металлы. Квантовые жидкости. Сверхтекучесть гелия.

5. Фазовые переходы

Диаграммы состояния. Условия равновесия фаз. Закон Клапейрона-Клаузиуса. Критическая точка и физические свойства системы в окрестности критической точки. Соотношения между критическими показателями. Экспериментальные методы исследования критических состояний. Методы термостатирования и получения низких температур. Кипение. Кризис кипения. Методы расчета. Метастабильные состояния. Перегрев, переохлаждение. Давление насыщенных паров над раствором. Плавление, кристаллизация. Возгонка и сублимация. Теплообмен и сопротивление в многофазных средах.

6. Физика твердого тела

Строение твердых тел: кристаллические и аморфные твердые тела. Пространственная решетка кристалла. Трансляционная симметрия. Дефекты в кристаллах: точечные дефекты и дислокации. Колебание решетки, спектральная плотность колебаний решетки. Ангармонизм и тепловое расширение. Теплоемкость кристаллов. Модели Эйнштейна и Дебая. Электронные состояния кристаллов. Модели свободных электронов. Зонная структура энергетического спектра кристаллов. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электронная теплоемкость. Термодинамика твердых тел. Уравнение состояния твердых тел. Термодинамическое описание термоупругих свойств. Теплопроводность и вязкость твердых тел. Уравнение теплопроводности в твердых телах, теплопроводность кристаллов. Механизмы теплопроводности в диэлектриках и металлах. Вязкость и ее проявление при поглощении звука в твердых телах. Взаимодействие молекул с поверхностью твердого тела. Адсорбция и хемосорбция. Мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция.

Литература

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 2001. Квасников И.А. Теория равновесных систем. Т. 1: Термодинамика; Т. 2: Статистическая физика. М.: Изд-во УРСС, 2002. Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2000. Исихара А. Статистическая физика. М.: Мир, 1973. Силин В.П. Введение в кинетическую теорию газов. М.: Изд-во ФИ АН, 1998. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. Л.; М., 1961. Ступоченко Е., Лосев С.А., Осипов А.И. Релаксационные процессы в ударных волнах. М., 1965. Гордиев Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980. Физика простых жидкостей: Сб. М.: Мир, 1971. Стенли Г. Фазовые переходы и кинетические явления. М.: Мир, 1973. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.

«ПРОГРАММА КАНДИДАТСКОГО ЭКЗАМЕНА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 01.04.14 «ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА» (технические науки) Введение В основу...»

ПРОГРАММА КАНДИДАТСКОГО ЭКЗАМЕНА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ

01.04.14 «ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА»

(технические науки)

Введение

В основу программы положены следующие дисциплины: теплофизические свойства веществ; термодинамические процессы; процессы переноса тепла и массы в сплошных и разреженных гомогенных и гетерогенных средах.

1. Термодинамика

Термодинамика и ее метод. Термодинамическая система. Параметры состояния

рабочего тела. Понятие о термодинамическом процессе. Идеальный газ. Законы идеального газа. Смеси идеальных газов.

Первый закон термодинамики. Теплота. Опыт Джоуля. Эквивалентность теплоты и работы. Закон сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия и внешняя работа. Энтальпия. Обобщенные силы и обобщенные координаты. Уравнение первого закона термодинамики.

Второй закон термодинамики. Циклы. Понятие термического КПД. Источники теплоты. Обратимые и необратимые процессы. Формулировка второго закона термодинамики. Цикл Карно. Теорема Карно. Термодинамическая шкала температур. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах. Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики. Энтропия и термодинамическая вероятность.

Дифференциальные уравнения термодинамики. Основные математические методы термодинамики. Уравнение Максвелла. Частные производные внутренней энергии и энтальпии. Теплоемкости.

Равновесие термодинамических систем и фазовые переходы. Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы. Термодинамическое равновесие. Условия фазового равновесия. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовые переходы при искривленных поверхностях раздела.

Термодинамические свойства веществ. Термические и калорические свойства жидкостей. Критическая точка. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Термические и калорические свойства реальных газов и влажного воздуха. Уравнение состояния реальных газов. Термодинамические свойства веществ на линии фазовых переходов и в критической точке.

Термодинамические свойства вещества в метастабильном состоянии.

Основные термодинамические процессы. Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Политропные процессы. Дросселирование, эффект Джоуля-Томпсона. Адиабатическое расширение реального газа в вакуум (процесс Джоуля).

Процесс смешения. Процессы сжатия в компрессоре.

Процессы истечения газов и жидкостей. Параметры торможения. Сопло, диффузор.

Полное и статическое давление. Уравнение Бернулли. Число Маха. Показатель адиабаты.

Термодинамические циклы. Термический КПД. Эксергия. Циклы Карно, Отто, Дизеля, Брайтона, Ренкина. Регенерация теплоты в цикле.

Холодильные циклы. Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные установки. Цикл воздушной холодильной установки. Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Цикл пароэжекторной холодильной установки. Понятие о цикле абсорбционной холодильной установки. Цикл термоэлектрической холодильной установки. Принцип работы теплового насоса. Методы сжижения газов.

Основы химической термодинамики. Термохимия. Закон Гесса. Уравнения Кирхгофа. Химическое равновесие и второй закон термодинамики. Константы равновесия и степень диссоциации. Тепловой закон Нернста.

2. Тепло - и массообмен

Теплопроводность. Температурное поле. Изотермические линии и поверхности.

Закон Фурье. Уравнение сохранения энергии, краевые условия задач теплопроводности.

Механизм теплопроводности веществ в твердом (кристаллическом и аморфном), жидком и газообразном состояниях. Теплопроводность через плоскую стенку. Число Био. Коэффициент теплопередачи. Теплопроводность через цилиндрическую стенку, критический диаметр тепловой изоляции. Нестационарное температурное поле в плоской пластине, регулярный режим охлаждения (нагревания) тел. Метод перемножения решений.

Конвективный теплообмен в однокомпонентной среде. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии в сплошной среде. Эмпирические законы переноса (Ньютона, Фурье, Фика). Приведение уравнений к безразмерному виду, критерии подобия. Физический смысл чисел подобия конвективного тепло- и массообмена. Тройная аналогия.

Теплообмен при внешнем обтекании тела. Система уравнений теплового пограничного слоя. Анализ теплообмена при ламинарном течении в пограничном слое методами размерностей. Автомодельное решение Польгаузена. Соотношения для расчета теплообмена при различных числах Прандтля. Условные толщины пограничного слоя. Интегральные уравнения импульса и энергии.

Переход ламинарного течения в турбулентное, влияние на турбулентный переход параметров набегающего потока, массовых сил, характеристик обтекаемой поверхности.

Теоретические и экспериментальные аспекты перехода ламинарного течения в турбулентное. Осредненные уравнения движения и энергии для турбулентного течения. Кажущиеся напряжения турбулентного трения, турбулентный тепловой поток. Структура пристенной турбулентной области. Аналогия Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое, ее модернизированный вариант (двухслойная схема), расчетные соотношения для теплоотдачи. Конвективный теплообмен при высоких скоростях течения.

Адиабатическая температура стенки, коэффициент восстановления, методы расчета теплоотдачи. Теплообмен на проницаемой поверхности. Теплообмен при поперечном обтекании одиночного цилиндра и пучков труб.

Теплообмен при течении жидкости в каналах. Математическое описание, среднемассовая скорость и температура. Стабилизированный теплообмен при граничных условиях 2-го рода. Профили скорости, температуры, теплового потока при ламинарном и турбулентном течении, интеграл Лайона. Теплообмен при ламинарном течении жидкости в начальном термическом участке круглой трубы. Начальный гидродинамический участок. Стабилизированный теплообмен при ламинарном течении. Стабилизированный теплообмен при турбулентном течении, результаты исследований для неметаллических жидкостей и жидких металлов, расчетные формулы. Влияние переменности свойств жидкости на теплообмен при течении капельных жидкостей и газов в трубах.

Теплообмен при свободной конвекции. Механизм и математическое описание, приближение Буссинеска. Развитие пограничного слоя на вертикальной плоской поверхности, расчет коэффициента теплоотдачи. Свободная конвекция на поверхности горизонтального цилиндра и сферы. Свободная конвекция в замкнутых объёмах; теплопередача через прослойку.

Теплообмен при фазовых превращениях. Математическое описание и модели двухфазных сред. Универсальные условия совместности на межфазных границах. Специальные условия совместности для процессов тепло- и массообмена. Неравновесность на межфазных границах, квазиравновесное приближение.

Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при пленочной конденсации на вертикальной поверхности: решение Нуссельта, анализ основных допущений. Конденсация на поверхности горизонтального цилиндра. Конденсация движущегося пара. Качественные закономерности капельной конденсации.

Кипение жидкостей. Условия зарождения парового зародыша в объеме перегретой жидкости и на твердой поверхности нагрева. Основные закономерности роста и отрыва паровых пузырьков. «Кривая кипения». Теплообмен при пузырьковом кипении в большом объеме, теплообмен при пленочном кипении. Кризисы кипения в большом объеме.

Режимы течения двухфазных потоков в трубах. Характер изменения среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки, расходного массового паросодержания по длине обогреваемого канала. Кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения. Кризис теплоотдачи при кипении в трубах.

Совместные процессы тепло- и массопереноса. Общая характеристика процессов переноса массы и энергии. Состав смеси, диффузионные потоки, коэффициент диффузии.

Перенос энергии и импульса в смеси.

Аналогия процессов тепло- и массообмена. Расчет интенсивности переноса энергии и массы компонента при умеренных и высоких скоростях массообмена.

Тепло- и массообмен при химических превращениях. Диффузия, сопровождаемая гомогенной или гетерогенной химической реакцией. Процессы на поверхности тела, обтекаемого гиперзвуковым потоком газа.

Сублимация поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком. Коэффициент аккомодации. Зависимость скорости сублимации от температуры поверхности тела.

Термическое разложение тела, обтекаемого высокотемпературным потоком химически активного газа.

Химическое взаимодействие на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком.

Разрушение композиционных материалов в высокотемпературном газовом потоке.

Взаимодействие процессов горения и испарения.

Теплообмен излучением. Основные понятия и законы излучения. Природа излучения. Интегральная и спектральная плотности потока излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Абсолютно черное тело.

Законы теплового излучения (Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Ламберта). Излучение реальных тел. Радиационные свойства реальных материалов.

Теплообмен излучением в диатермичной среде. Геометрия излучения (локальные и средние угловые коэффициенты). Зональный метод расчета теплообмена в системе тел, разделенных прозрачной средой.

Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах. Излучение и поглощение в газах. Основной закон переноса энергии излучения в излучающепоглощающей среде. Собственное излучение газа. Методы расчета теплообмена.

3. Основы расчета теплообменных аппаратов и средств тепловой защиты Современные теплообменные системы: парогенераторы тепловых электрических станций, ядерные энергетические реакторы, камеры сгорания ракетных двигателей, бланкет термоядерного реактора. Теплообменные аппараты: рекуперативные, регенеративные, смесительные.

Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор.

Расчет поверхности теплообмена, конечной температуры теплоносителей. Основы гидравлического расчета теплообменников. Определение мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей.

Особенности выбора средств и методов тепловой защиты. Способы тепловой защиты от конвективного и совместного (конвективно-лучистого) нагрева.

Проникающее охлаждение. Эффект вдува. Теплообмен между пористой матрицей и фильтрующимся охладителем.

Дополнительные разделы программы кандидатского экзамена по специальности 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

– – –

Условия теплового комфорта человека. Теплообмен тела человека. Параметры микроклимата и их нормирование. Внешние и внутренние факторы (источники и стоки теплоты и массы водяного пара), влияющие на параметры микроклимата в помещениях.

Теплоперенос через ограждающие конструкции отапливаемых зданий и сооружений. Теплоперенос через однородные одно- и многослойные наружные ограждения.

Теплоперенос через неоднородные наружные ограждения. Расчет коэффициентов теплопередачи через наружные ограждения.

Процессы фильтрации воздуха и паров воды в наружных ограждающих конструкциях зданий. Взаимосвязанный тепло- и массоперенос в наружных ограждениях зданий.

Основная литература

1. Шпильрайн Э.Э., Кессельман П.М. Основы теории теплофизических свойств веществ. –М.: Энергия, 1977. –248 с.

2. Терия тепломассообмена. /Под ред. А.И. Леонтьева. –М.: Изд.во МГТУ им. Н.Э.

Баумана, 1997.

3. Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен. /Энциклопедия. Машиностроение. Т. 1-2 /Под общ. Ред. К.К. Колесникова, А.И. Леонтьева. М.: Машиностроение, 1999. –600 с.

4. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Изд-во МЭИ(ТУ), 2001.

5. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных сред. –М.: Изд-во МЭИ, 2000.

6. Базаров И.П. Термодинамика. Издание 2-е. –М.: Высшая школа, 1976.

7. Новиков И.И. Термодинамика. –М.: Машиностроение, 1984.

8. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. –М.: Энергоатомиздат, 1986.

9. *Теплотехника: Учебник для вузов. Под. ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа. 2005. 671 с.

10. *Теплотехника: Учебник для вузов. Под ред. В.Л. Ерофеева. – М.: ИКЦ «Академкнига». – 2008. – 488 с.

11. *Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача / М.: Высшая школа. 1980.

12. *Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. М.:

Энергия. 1968. 576 с.

13. *Исаченко, В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел – М.: Энергия, 1975. – 486 с.

14. *Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. – М.:

Энергия, 1977. – 344 с.

15. *Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. –М.: Атомиздат, 1979. –415 с.

16. Сычев В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. Издание 2-е. –М.:

Высшая школа, 1991.

17. Теплоэнергетика и теплотехника (справочная серия). Книга вторая. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. М.: Изд- во МЭИ, 2001.

18. *Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции, кондиционирования). Учебник для вузов. – 3-е изд., - СанктПетербург: АВОК Северо-запад – 2006. - 400 с.

19. *Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - 5-е изд., - М.: АВОК-ПРЕСС – 2006. - 252 с.

Дополнительная литература 1. *Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1967. – 600 с.

2. *Гухман, А.А. Введение в теорию подобия / А.А. Гухман. – М.: Высшая школа, 1973. – 296 с.

3. *Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий). - М.: Высшая школа -1974. - 320 с.

4. *Тихомиров К.В. Сергиенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. Учебник для вузов. – 5-е изд., М.: ООО БАСТЕТ, - 2009.–480 с.

3. *Бородин, А.И. Лекции по технической термодинамике / А.И. Бородин. – Томск:

Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2008. – 170 с.

4. *Хуторной, А. Н. Теплозащитные свойства неоднородных наружных стен зданий / А. Н. Хуторной, Н. А. Цветков, А. Я. Кузин. – Томск: Изд-во ТГАСУ, 2006. – 287 с.

Нормативные документы 1. *СНиП II-3-79. Строительная теплотехника. - М.: Госстрой России - 1998. - 42 с.

2. *СНиП 23-01-99. Строительная климатология. Приняты и введены в действие с 1 января 2000 г. Постановлением Госстроя России от 11.06.99 г. №45. - 62 с.

3. *ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещении: утв Госстроем РФ; ввод в действие с 1999. – М., 1999. 9 с.

Примечание: знаком «*» помечена литература, которая имеется в библиотеке ТГАСУ, остальная литература имеется в библиотеках НИ ТПУ и НИ ТГУ, доступ к которой свободный аспирантам

Шифр специальности:

01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника

Формула специальности:

Для физико-математических наук «Теплофизика и теоретическая

теплотехника» – область науки, включающая теоретические и

экспериментальные исследования свойств веществ в жидком, твердом и

газообразном состоянии при наличии всех видов тепло- и массообмена во

всем диапазоне температур и давлений, магнитную гидродинамику

электропроводных сред, неоднородные аэродисперсные системы,

теплофизику низкотемпературной плазмы, теорию подобия теплофизических

процессов, теоретическую и техническую термодинамику, теорию фазовых

переходов при горении в гетерогенных системах, численное и натурное

моделирование теплофизических процессов в природе, технике и

эксперименте, расчет и проектирование нового теплотехнического

оборудования.

Для технических наук научная специальность, объединяющая

исследования по теплофизическим свойствам веществ, термодинамическим

процессам, процессам переноса тепла и массы в сплошных и разреженных,

гомогенных и гетерогенных средах. Экспериментальные и теоретические

исследования по теплофизике и теоретической теплотехнике имеют целью -

установление связей между строением веществ и их феноменологическими

свойствами, обоснование методов расчета термодинамических и переносных

свойств в различном агрегатном состоянии, выявление механизмов переноса

массы, импульса и энергии при конвекции, излучении, сложном теплообмене

и физико-химических превращениях, обоснование и проверку методов

интенсификации тепло- и массообмена и тепловой защиты.

Области исследований:

Для физико-математических наук:

1. Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования

молекулярных и макросвойств веществ в твердом, жидком и газообразном

состоянии для более глубокого понимания явлений, протекающих при

тепловых процессах и агрегатных изменениях в физических системах.

улучшению теплофизических свойств веществ в жидком, твердом

(кристаллическом и аморфном) состояниях для последующего использования

в народном хозяйстве –

Для технических наук:

1. Экспериментальные исследования термодинамических и переносных

свойств чистых веществ и их смесей в широкой области параметров

состояния.

2. Аналитические и численные исследования теплофизических свойств

веществ в различных агрегатных состояниях.

3. Исследование термодинамических процессов и циклов применительно к

установкам производства и преобразования энергии.

4. Экспериментальные и теоретические исследования процессов

взаимодействия интенсивных потоков энергии с веществом.

5. Экспериментальные и теоретические исследования однофазной, свободной

и вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств теплоносителей,

режимных и геометрических параметров теплопередающих поверхностей.

6. Экспериментальные исследования, физическое и численное

моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в

многофазных системах и при фазовых превращениях.

7. Экспериментальные и теоретические исследования процессов совместного

переноса тепла и массы в бинарных и многокомпонентных смесях веществ,

включая химически реагирующие смеси.

8. Разработка методов исследования и расчета радиационного теплообмена в

прозрачных и поглощающих средах.

9. Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов

тепло- и массообмена и тепловой защиты.

Примечание:

По научной специальности не рассматриваются работы, направленные на

создание приборов и первичных преобразователей для экспериментальных

исследований теплофизических свойств веществ и процессов тепло- и

массопереноса, на оптимизацию технологических схем и конструкций тепло-

и массо обменного оборудования.

Отрасль наук:

технические науки (за разработку систем, устройств, приборов,

технологических процессов и за применение новых разработок в народном

хозяйстве)

физико-математические науки (за исследования теоретического и

экспериментального направления, носящие фундаментальный характер

(фундаментальные научные исследования))__

Министерство образования и науки Российской Федерации

ПРОГРАММА-МИНИМУМ

кандидатского экзамена по специальности

01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

по техническим наукам

Программа-минимум

содержит 8 стр.

Введение

В основу данной программы положены следующие дисциплины: теплофизические свойства веществ, термодинамические процессы, процессы переноса тепла и массы в сплошных и разреженных гомогенных и гетерогенных средах. Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии по энергетике, электрификации и энергетическому машиностроению при участии Объединенного института высоких температур РАН.

Термодинамика

Термодинамика и ее метод . Параметры состояния. Понятие о термодинамическом процессе. Идеальный газ. Законы идеального газа. Смеси идеальных газов.

Первый закон термодинамики . Теплота. Опыт Джоуля. Эквивалентность теплоты и работы. Закон сохранения и превращения энергии. Внутренняя энергия и внешняя работа. Энтальпия. Обобщенные силы и обобщенные координаты. Уравнение первого закона термодинамики.

Второй закон термодинамики . Циклы. Понятие термического КПД. Источники теплоты. Обратимые и необратимые процессы. Формулировка второго закона термодинамики. Цикл Карно. Теорема Карно. Термодинамическая шкала температур. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах. Объединенное уравнение первого и второго законов термодинамики. Энтропия и термодинамическая вероятность.

Равновесие термодинамических систем и фазовые переходы . Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы. Термодинамическое равновесие. Условия фазового равновесия. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовые переходы при искривленных поверхностях раздела.

Термодинамические свойства веществ . Термические и калорические свойства жидкостей. Критическая точка. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Термические и калорические свойства реальных газов и влажного воздуха. Уравнение состояния реальных газов. Термодинамические свойства веществ на линии фазовых переходов и в критической точке. Термодинамические свойства вещества в метастабильном состоянии.

Основные термодинамические процессы . Изохорный процесс. Изобарный процесс. Изотермический процесс. Политропные процессы. Дросселирование, эффект Джоуля-Томпсона. Адиабатическое расширение реального газа в вакуум (процесс Джоуля). Процесс смешения. Процессы сжатия в компрессоре.

Процессы истечения газов и жидкостей. Параметры торможения. Сопло, диффузор. Полное и статическое давление. Уравнение Бернулли. Число Маха. Показатель адиабаты.

Термодинамические циклы . Термический КПД. Эксергия. Циклы Карно, Отто, Дизеля, Брайтона, Ренкина. Регенерация теплоты в цикле.

Холодильные циклы . Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные установки. Цикл воздушной холодильной установки. Цикл парокомпрессионной холодильной установки. Цикл пароэжекторной холодильной установки. Понятие о цикле абсорбционной холодильной установки. Цикл термоэлектрической холодильной установки. Принцип работы теплового насоса. Методы сжижения газов.

Основы химической термодинамики . Термохимия. Закон Гесса. Уравнения Кирхгофа. Химическое равновесие и второй закон термодинамики. Константы равновесия и степень диссоциации. Тепловой закон Нернста.

Тепло - и массообмен

Теплопроводность . Уравнение сохранения энергии, закон Фурье, краевые условия задач теплопроводности. Механизм теплопроводности веществ в твердом (кристаллическом и аморфном), жидком и газообразном состояниях. Теплопроводность через плоскую стенку. Число Био. Коэффициент теплопередачи. Теплопроводность через цилиндрическую стенку, критический диаметр изоляции. Нестационарное температурное поле в плоской пластине, регулярный режим охлаждения (нагревания) тел. Метод перемножения решений.

Конвективный теплообмен в однокомпонентной среде . Уравнения сохранения массы, импульса и энергии в сплошной среде. Эмпирические законы переноса (Ньютона, Фурье, Фика). Приведение уравнений к безразмерному виду, критерии подобия. Физический смысл чисел подобия конвективного тепло- и массообмена. Тройная аналогия.

Переход ламинарного течения в турбулентное, влияние на турбулентный переход параметров набегающего потока, массовых сил, характеристик обтекаемой поверхности. Теоретические и экспериментальные аспекты перехода ламинарного течения в турбулентное. Осредненные уравнения движения и энергии для турбулентного течения. Кажущиеся напряжения турбулентного трения, турбулентный тепловой поток. Структура пристенной турбулентной области. Аналогия Рейнольдса для теплообмена при турбулентном течении в пограничном слое, ее модернизированный вариант (двухслойная схема), расчетные соотношения для теплоотдачи. Конвективный теплообмен при высоких скоростях течения. Адиабатическая температура стенки, коэффициент восстановления, методы расчета теплоотдачи. Теплообмен на проницаемой поверхности. Теплообмен при поперечном обтекании одиночного цилиндра и пучков труб.

Совместные процессы тепло- и массопереноса. Общая характеристика процессов переноса массы и энергии. Состав смеси, диффузионные потоки, коэффициент диффузии. Перенос энергии и импульса в смеси.

Термическое разложение тела, обтекаемого высокотемпературным потоком химически активного газа.

Химическое взаимодействие на поверхности тела, обтекаемого высокотемпературным газовым потоком.

Разрушение композиционных материалов в высокотемпературном газовом потоке. Взаимодействие процессов горения и испарения.

Теплообмен излучением . Основные понятия и законы излучения. Природа излучения. Интегральная и спектральная плотности потока излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Абсолютно черное тело.

Теплообмен излучением в поглощающих и излучающих средах. Излучение и поглощение в газах. Основной закон переноса энергии излучения в излучающе-поглощающей среде. Собственное излучение газа. Методы расчета теплообмена.

Основы расчета теплообменных аппаратов и средств тепловой защиты

Современные теплообменные системы: парогенераторы тепловых электрических станций, ядерные энергетические реакторы, камеры сгорания ракетных двигателей, бланкет термоядерного реактора. Теплообменные аппараты: рекуперативные, регенеративные, смесительные.

Уравнения теплового баланса и теплопередачи. Средний температурный напор. Расчет поверхности теплообмена, конечной температуры теплоносителей. Основы гидравлического расчета теплообменников. Определение мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей.

Проникающее охлаждение. Эффект вдува. Теплообмен между пористой матрицей и фильтрующимся охладителем.

Основная литература

1. Терия тепломассообмена. /Под ред. А.И. Леонтьева. –М.: Изд.во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997.

2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Издание 4-е. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. Учебное пособие для ВУЗов. –М.: Изд-во МЭИ(ТУ), 2001.

4. Сычев В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. Издание 2-е. –М.: Высшая школа, 1991.

5. Теплоэнергетика и теплотехника (справочная серия). Книга вторая. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. М.: Изд- во МЭИ, 2001.

Дополнительная литература

1. Теоретическая механика. Термодинамика. Теплообмен. /Энциклопедия. Машиностроение. Т. 1-2 /Под общ. Ред. К.К. Колесникова, А.И. Леонтьева. М.: Машиностроение, 1999. –600 с.