Введение в механику жидкости, явления переноса, техническую

Введение в механику жидкости, явления переноса,
техническую термодинамику
Учебный курс для магистрантов Научно-образовательного центра
«Энергоэффективный катализ» (НОЦ ЭК)
ПРОГРАММА
Аннотация
Данный учебно-методический комплекс предназначен для магистрантов и
аспирантов Научно-образовательного центра «Энергоэффективный катализ» (НОЦ ЭК),
будущих специалистов в области инженерной химии и практического катализа.
В курсе с единых позиций излагается содержание таких дисциплин, как механика
жидкости и газа, явления переноса, техническая термодинамика - вопросов, которые
традиционно не входят в изучаемые студентами химических специальностей предметы.
Структура данного курса основана на изложении необходимых теоретических
концепций с переходом к практическим инженерным и химическим приложениям. Даѐтся
введение в необходимые разделы механики жидкости и газа: гидростатика, ламинарные и
турбулентные течения, кинематика движения жидкости и законы сохранения, теория
пограничного слоя. Особое внимание уделено изложению вопросов теории и практики
явлений переноса (тепла, массы и энергии), осложнѐнных химическим взаимодействием
в гетерогенных и гомогенных системах, в приложении к химии и катализу.
Рассматриваются физико-химические основы таких процессов, даѐтся их математическое
описание в различных гидродинамических условиях их проведения и их связь с
термодинамикой, в том числе касающаяся кинетики фазовых переходов. В рамках курса
помимо общих задач технической термодинамики разбираются также вопросы, связанные
с рабочими циклами и термодинамической эффективностью химико-технологических
процессов, термодинамикой альтернативных источников энергии и т.д.
1. Цели и задачи курса
Дисциплина «Введение в механику жидкости, явления переноса, техническую
термодинамику» является частью цикла образовательных программ (ООП) подготовки
магистрантов научно-образовательного центра «Энергоэффективный катализ» (НОЦ ЭК),
по направлениям подготовки магистерской программы (МП) 020100.68 «химия» (магистр
химии, специализирующийся в области катализа, инженерной химии, инноваций и
предпринимательства).
Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с изложением с
единых позиций таких дисциплин, как: механика жидкости и газа, явления переноса,
техническая термодинамика - вопросов, которые традиционно не входят в изучаемые
студентами химических специальностей предметы, но являются необходимыми для
выпускников данной МП, которые будут активно участвовать в разработке и эффективной
коммерциализации энергоэффективных каталитических технологий в химической и
нефтехимической отрасли.
Данный курс, базируясь на целом ряде зарубежных и отечественных источников, в
то же время является оригинальным комплексом, направленным, в первую очередь, на
подготовку будущих специалистов в области инженерной химии и практического
катализа.
Основной целью данного курса является формирование у обучаемых глубоких
знаний в области механики жидкости, явлений переноса и технической термодинамики,
эффективное использование которых является существенным движущим фактором на
пути разработки новых каталитических химических процессов и их последующего
практического внедрения.
1
Для достижения этой цели выделяются следующие задачи курса, направленные
на овладение методологией изучаемых предметов для решения конкретных физикохимических задач:
 Овладение методами расчѐта основных характеристик ламинарных и турбулентных
течений;
 Получение навыков анализа гидродинамической обстановки в химическом реакторе
или процессе и еѐ влияние на параметры пограничных слоѐв;
 Овладение методами безразмерного анализа;
 Получение навыков расчѐта основных параметров практически важных случаев
процессов переноса массы и энергии, осложнѐнных химическим взаимодействием в
гетерогенных и гомогенных системах;
 Обучение решению общих задач технической термодинамики, в т.ч. связанных с
рабочими циклами и термодинамической эффективностью химико-технологических
процессов, термодинамикой альтернативных источников энергии и т.д.;
 Обучение навыкам корректной обработки и представления полученных результатов.
2. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина «Введение в механику жидкости, явления переноса, техническую
термодинамику» относится к основным предметам базовой части профессионального
цикла по направлениям подготовки МП 020100.68 «химия» (магистр химии,
специализирующийся в области катализа, инженерной химии, инноваций и
предпринимательства).
Дисциплина «Введение в механику жидкости, явления переноса, техническую
термодинамику» предназначена для детального ознакомления студентов с основами
предмета и изучается в первом семестре первого курса МП, что отражает оригинальный
подход к преподаванию всего цикла предметов. Курс «Введение в механику жидкости,
явления переноса, техническую термодинамику» построен так, что его изучение не
требует и не предусматривает каких-либо знаний или умений, выходящих за рамки
стандартной подготовки выпускников-бакалавров, уже проходивших обучение по
программе «физическая химия».
Знания и умения, полученные в результате изучения дисциплины «Введение в
механику жидкости, явления переноса, техническую термодинамику», составляют
фундаментальную основу для подготовки магистрантов научно-образовательного центра
«Энергоэффективный катализ» и являются основанием для многих других
фундаментальных научно-технических дисциплин, необходимых выпускнику для будущей
компетентной работы над проектами, направленными на решение важнейших вопросов
химической промышленности, энергетики и сохранности окружающей среды, связанными
с использованием энергоэффективного катализа.
3. Компетенции, формируемые в результате освоения курса
Дисциплина нацелена на формирование у выпускника следующих общекультурных
компетенций (ОК):
 способностью ориентироваться в условиях производственной деятельности и
адаптироваться в новых условиях (ОК-1);
 умением принимать нестандартные решения (ОК-2);
 владением иностранным (прежде всего английским) языком в области
профессиональной деятельности и межличностного общения (ОК-3);
 пониманием философских концепций естествознания, роли естественных наук
(химии в том числе) в выработке научного мировоззрения (ОК-4);
 владением современными компьютерными технологиями, применяемыми при
обработке результатов научных экспериментов и сборе, обработке, хранении и
2
передачи информации при проведении самостоятельных научных исследований
(ОК-5);
Дисциплина
нацелена
на
формирование
у
выпускника
следующих
профессиональных компетенций (ПК) в научно-исследовательской деятельности:
 наличием представления об актуальных направлениях исследований в
современной теоретической и экспериментальной химии (синтез и применение
веществ в наноструктурных технологиях, исследования в критических условиях,
химия жизненных процессов, химия и экология и другие) (ПК-1);
 знанием основных этапов и закономерностей развития химической науки,
пониманием объективной необходимости возникновения новых направлений,
наличием представления о системе фундаментальных химических понятий и
методологических аспектов химии, форм и методов научного познания, их роли в
общеобразовательной профессиональной подготовке химиков (ПК-2);
 владением теорией и навыками практической работы в избранной области химии
(в соответствии с профильной направленностью магистерской диссертации) (ПК3);
 умением анализировать научную литературу с целью выбора направления
исследования по предлагаемой научным руководителем теме и самостоятельно
составлять план исследования (ПК-4);
 способностью анализировать полученные результаты, делать необходимые
выводы и формулировать предложения (ПК-5);
Дисциплина
нацелена
на
формирование
у
выпускника
следующих
профессиональных компетенций (ПК) в научно-педагогической деятельности:
 пониманием принципов организации преподавания химии в образовательных
учреждениях высшего профессионального образования (ПК-8);
 владением методами подбора материала, преподавания и основами управления
процессом
обучения
в
образовательных
учреждениях
высшего
профессионального образования (ПК-9);
Дисциплина
нацелена
на
формирование
у
выпускника
следующих
профессиональных компетенций (ПК) в организационно-управленческой деятельности:
 способностью определять и анализировать проблемы, планировать стратегию их
решения (ПК-10);
 владением основами делового общения, навыками межличностных отношений,
способностью работать в научном коллективе (ПК-11);
 пониманием принципов организации и управления деятельностью научных
коллективов (ПК-12).
 пониманием основных принципов организации взаимодействия науки, бизнеса и
производства (ПК-13)
Приведенные выше компетенции магистров вырабатываются в ходе выполнения
обучающимися требований к выполнению основной образовательной программы, а также
в ходе формирования межличностных отношений. Компетенции могут дополняться НГУ в
ходе реализации ОП магистратуры с учетом введения дополнительных требований к
выполнению ОП или специфики содержания их подготовки и рекомендаций
работодателей.
По окончании изучения курса обучающийся студент должен:
 Иметь представление о фундаменте современной химической технологии
(механике жидкости и газа, процессах тепло и массопереноса в химически
реакционноспособных системах, технической термодинамике);
 Знать основные понятия разделов курса;
3

Уметь применять полученные знания при решении типичных задач инженерной
химии и практического катализа, таких, как: расчѐт основных характеристик
ламинарных и турбулентных течений, анализ гидродинамической обстановки и еѐ
влияние на параметры пограничных слоѐв и скорости тепло и массообмена,
расчѐт основных параметров процессов переноса массы и энергии, осложнѐнных
химическим взаимодействием в гетерогенных и гомогенных системах, оценка
термодинамической эффективностью химико-технологических процессов и др. – в
соответствии с программой курса.
4. Виды учебной работы и образовательные технологии, используемые при
их реализации
Преподавание дисциплины включает следующие формы организации учебного
процесса: лекции, семинарские занятия, самостоятельная работа студента.
Предусмотрены текущие практические задания, промежуточные потоковые контрольные
работы и итоговый контрольный экзамен.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц или 288
академических часов. Программой дисциплины предусмотрены 60 часов лекций и 60
часов семинарских занятий, 4 модульных задания, 4 потоковых контрольных работы и
экзамен, а также 153 часа самостоятельной работы студентов.
Для изложения материала используется мультимедийная техника (программы
«Записки», «Power Point»).
Данный курс, базируясь на целом ряде зарубежных и отечественных источников, в
то же время является оригинальным комплексом, направленным, в первую очередь, на
подготовку будущих специалистов в области инженерной химии и практического
катализа. Курс направлен на формирование у обучаемых глубоких знаний в области
механики жидкости, явлений переноса и технической термодинамики, отсутствие которых
может являться существенным тормозом на пути разработки новых каталитических
химических процессов и их последующего практического внедрения.
Курс лекций включает в себя пять частей: «Избранные главы высшей математики»
(необходимый математический аппарат для понимания последующих основных разделов
курса), «Введение в механику жидкости и техническую термодинамику», «Гидродинамика
и явления переноса», «Массо- и теплоперенос с химической реакцией», «Техническая
химическая термодинамика».
На семинарских занятиях студенты учатся использовать методологию изучаемых
предметов для решения конкретных физико-химических задач: расчѐт основных
характеристик ламинарных и турбулентных течений, использование законов сохранения,
анализ гидродинамической обстановки и еѐ влияние на параметры пограничных слоѐв,
безразмерный анализ, расчѐт основных параметров практически важных случаев
процессов переноса массы и энергии, осложнѐнных химическим взаимодействием в
гетерогенных и гомогенных системах. Также, помимо общих задач технической
термодинамики разбираются вопросы, связанные с рабочими циклами и
термодинамической
эффективностью
химико-технологических
процессов,
термодинамикой альтернативных источников энергии и т.д. На семинарских занятиях
реализуется интерактивная форма обучения.
Для успешного усвоения курса предлагаются практические (модульные) задания,
составляющие основу самостоятельной работы студента. Эти задания каждый студент
выполняет самостоятельно, используя конспекты лекций, учебную литературу и
справочники и представляет результаты работы к конкретному сроку преподавателю.
Кроме этого, самостоятельная работа студента предусматривает подготовку к
семинарам, потоковым контрольным работам и экзамену.
Отличительной особенностью курса является применение в нем рейтинговой
системы, при реализации которой постоянно контролируется уровень знаний студента.
Наличие необходимости сдачи практических заданий и контрольных работ принуждает
студента к активной работе в течение всего курса обучения. В то же время
4
преподаватели могут оперативно скорректировать форму подачи материала курса в
зависимости от оценок, полученных студентами во время выполнения промежуточных
контрольных работ.
Важной
формой
обучения
является
процедура
сдачи
преподавателю
промежуточных практических заданий, проводимая в форме беседы преподавателя со
студентом. Такая форма сдачи заданий стимулируют студентов к самостоятельной
подготовке, что, в конечном счете, способствует успешному написанию контрольных и
экзаменационных работ.
5. Структура и содержание дисциплины
5.1. Структура курса
В соответствии с учебным планом изучение дисциплины рассчитано на 2
семестра. Общая трудоемкость курса – 288 часов или 8 зачетных единиц.
Часть I. Избранные главы высшей математики
3
2
Часть II. Введение в механику жидкости и
техническую термодинамику
2.1. Введение. Механика сплошной среды.
1
2
2.2. Кинематика движения жидкости.
1
1
2.3. Гидростатика.
1
1
2.4. Первое и второе начало термодинамики.
2
2
2.5. Гидравлика. Одномерное движение жидкости.
2
2
2.6. Одномерное движение жидкости. Другие вопросы.
2
2
2.7. Безразмерный анализ.
1
2
Часть III. Гидродинамика и явления переноса
3.1. Уравнения переноса и законы сохранения
3
2
3.2. Перенос тепла и массы
1
2
3.3. Применения интегральных уравнений баланса
1
2
3.4. Потенциальные течения
2
2
3.5. Вязкие течения
2
2
3.6. Теория пограничного слоя
2
1
3.7. Турбулентность
1
1
3.8. Турбулентный пограничный слой
1
1
3.9. Гидродинамика двухфазных потоков
2
1
3.10. Диспергирование и смешение
2
2
Текущий и
промежуточный
контроль
Экзамен
Контрольные
работы
Самостоятельная
работа
Семинары
Наименование разделов и тем
Лекции
Количество часов
1
38
3
М1, К1
38
3
М2, К2
5
Часть IV. Явления переноса массы и тепла в
химических процессах
4.1. Процессы переноса тепла
1
1
4.2. Процессы переноса вещества
2
1
4.3. Движущая сила и кинетика процессов переноса
2
2
4.4. Межфазный перенос без химической реакции
2
2
4.5. Массоперенос с гомогенной химической реакцией
2
2
4.6. Массоперенос в гетерогенном катализе
2
2
4.7. Смешение и химические реакции
2
2
4.8. Одновременный перенос массы и тепла
1
1
4.9. Явления переноса в электрохимических системах
1
1
4.10. Основы расчѐта тепло и массообменных
аппаратов
1
1
4.11. Явления переноса в неньютоновских жидкостях
1
1
4.12. Процессы переноса, индуцированные
излучением
1
2
4.13. Аналитические и аппроксимационные методы
при анализе явлений переноса
1
2
Часть V. Техническая химическая термодинамика
Равновесные балансные соотношения в
многокомпонентных системах
2
2
Реальные газы
1
2
Первое начало термодинамики
2
2
Второе начало термодинамики
2
2
Процессы и аппараты химической технологии
1
1
Альтернативные источники преобразования энергии
1
1
Фазы и фазовое равновесие
1
1
Процессы переноса при фазовых переходах
1
1
Итого по курсу 288 ак. часов. В том числе:
60
60
38
3
М3, К3
38
3
М4, К4
153
12
3
5.2. Программа лекционного курса
Часть I. Избранные главы высшей математики
Основные начальные сведения из избранных разделов высшей математики,
необходимые для успешной работы с курсом и понимания специальной литературы.
Векторный анализ и начала тензорного исчисления. Линейная алгебра.
Криволинейные координаты. Дифференциальные уравнения обычные и в частных
производных.
Функции
комплексного
переменного.
Поиск
экстремумов.
Дифференциальные операторы. Специальные функции. Функции распределения и
вероятность.
Часть II. Введение в механику жидкости и техническую термодинамику
6
Введение. Механика сплошной среды. Понятие сплошной среды и жидкости.
Вязкость, плотность, внутренняя энергия. Классификация структуры потока жидкости
(ламинарное, переходное, турбулентное движение). Сжимаемая и несжимаемая
жидкость. Устойчивость и стационарность движения. Сдвиговая деформация и
характеристики течения. Фундаментальные определения и законы.
Кинематика движения жидкости. Способы описания движения (формализм
Эйлера и Лагранжа), субстанциональная производная и производная по направлению.
Скорость, ускорение, пространственное описание движения. Сдвиг, деформация,
вращение. Транспортная теорема. Траектория, линия и трубка тока.
Гидростатика.
Силы
давления,
измерение
давления,
понятие
о
манометрическом и абсолютном давлении. Плавучесть. Гравитация. Основные законы
гидростатики. Сосуды и трубы под давлением.
Первое и второе начало термодинамики. Фундаментальные уравнения.
Уравнения Эйлера и однородные функции. Уравнения Гиббса-Дюгема. Первое начало
термодинамики для идеального газа, сжимаемой и несжимаемой жидкости. Кинетическая,
внутренняя и потенциальная энергия. Энтальпия и энтропия. Первоначальное понятие о
термодинамических циклах, их диаграммы. Работа и важные примеры еѐ расчѐта
(эжекция, диспергирование и т.д.). Другие формы работы и энергии. Первое начало
термодинамики для сплошной среды, понятие об уравнении Бернулли. Ограничения
первого закона термодинамики. Второе начало термодинамики. Сжимаемые и
несжимаемые жидкости.
Гидравлика. Одномерное движение жидкости. Уравнение баланса и уравнение
Бернулли. Потери давления и скорости, трение в потоке. Измерение перепада давления.
Ламинарные и турбулентные потоки. Закон Бернулли для течения с потерями энергии.
Некоторые применения закона Бернулли: диффузоры и конфузоры, течение в трубах,
отрицательные
давления,
гидродинамическая
и
ультразвуковая
кавитация.
Неоднородные течения и закон Бернулли для них.
Уравнения баланса для одномерных течений (импульса, момента импульса и
углового момента импульса). Некоторые приложения для стационарных ситуаций (силы в
трубах, струи, эжекторы, расширения и т.д.). Начало и остановка движения,
гидравлический удар.
Одномерное движение жидкости. Другие вопросы. Безразмерное описание.
Насосы, компрессоры и турбины, энергетическая эффективность устройств. Поток через
пористые среды. Трение. Спутные и противоточные двухфазные потоки.
Псевдоожижение.
Газо-жидкостные
восходящие
и
горизонтальные
потоки.
Поверхностные силы и примеры их проявлений, эффект Марангони.
Безразмерный анализ. Физические переменные и функции, -теорема Бакингема.
Примеры использования методов анализа размерностей для решения ряда практических
задач. Безразмерные комплексы в механике жидкостей, числа Рейнольдса, Стокса,
Эйлера, Архимеда и т.д. Физическое подобие. Динамическое подобие и законы
масштабирования. Автомодельные явления и их анализ.
Часть III. Гидродинамика и явления переноса
Уравнения переноса и законы сохранения в механике жидкости.
Ньютоновская жидкость Уравнение неразрывности для векторных и тензорных величин.
Потоки и движущие силы процессов переноса. Понятие о тензоре напряжений и
деформаций. Сдвиговые напряжения, их классификация и основные характеристики.
Дифференциальные и интегральные уравнения переноса и баланса массы, внутренней
энергии, тепла, момента импульса и углового момента импульса в неподвижных и
движущихся системах координат. Уравнения Навье-Стокса и Эйлера, некоторые их
практически важные решения.
Перенос тепла и массы. Диффузионный перенос. Свободная и вынужденная
конвекция.
7
Применения интегральных уравнений баланса в инженерных приложениях:
трубы,
диффузоры,
сопла,
теория
тепловых
турбомашин,
турбодетандер.
Преобразование энергии. Сжижение и разделение газов.
Потенциальные течения. Линии тока и функция тока. Потенциальность.
Вихревое и безвихревое движение. Уравнение Бернулли для трѐхмерного течения.
Обтекание тел, крыло, цилиндр и шар в потоке. Теорема Жуковского. Эффект Магнуса.
Гравитационные волны и др.
Вязкие течения. Потоки при низких и умеренных числах Рейнольдса, ламинарное
и переходное течение. Некоторые примеры, течение Куэтта. Понятие о сжимаемой
жидкости. Вихревое движение. Вязкие напряжения в потоке, их типы. Введение в
микропотокию. Поток сжимаемой жидкости в длинных каналах, пристеночные течения,
обтекание шара и т.д. Течение со свободной поверхностью.
Теория пограничного слоя. Динамический, тепловой и концентрационный
пограничный слой, в том числе с химической реакцией. Явления переноса в пограничном
слое, перенос момента импульса, тепла, массы при отсутствии и наличии химической
реакции. Основные характеристики и безразмерные критерии. Подобие процессов
переноса, число Прандтля и т.д. Трение. Развитие и отрыв пограничного слоя.
Управление пограничным слоем. Ползущие течения.
Турбулентность. Что такое турбулентность, подходы к описанию, практическая
значимость. Теория Колмогорова изотропной турбулентности. Диссипация энергии.
Масштаб и энергетический спектр турбулентности Колмогорова и Тэйлора. Турбулентная
вязкость. Потоки при высоких числах Рейнольдса. Пристеночная турбулентность.
Турбулентный пограничный слой. Явления переноса в турбулентном
пограничном слое. Трение в турбулентном пограничном слое.
Гидродинамика двухфазных потоков. Классификация и основные параметры
двухфазных потоков. Межфазная турбулентность. Сопротивление в двухфазном потоке.
Гидродинамические параметры. Гидродинамические процессы в капле (пузыре),
находящейся в потоке другой жидкости.
Диспергирование и смешение. Типы процессов смешения и диспергирования.
Механизмы, роль турбулентности, молекулярной диффузии, сдвиговых напряжений.
Диспергирование в ламинарных и турбулентных потоках, связь с уровнем диссипации
энергии и динамическими характеристиками течения. Практически важные случаи
диспергирования в химической технологии, методы и примеры расчѐта. Скорость
растворения
и
молекулярного
смешения.
Процессы,
обратные
процессам
диспергирования – коалесценция и коагуляция в потоке. Смешение в газожидкостных
системах и жидкость-твѐрдое. Смешение несмешивающихся жидкостей. Закономерности
диспергирования и коалесценции.
Часть IV. Явления переноса массы и тепла в химических процессах
Процессы переноса тепла. Анализ процессов теплопереноса в простых случаях.
Перенос тепла за счѐт теплопроводности, свободной и вынужденной конвекции. Подобие
и безразмерные комплексы процессов переноса, числа Прандля, Нусельта.
Процессы переноса вещества. Диффузия и конвекция. Молекулярная
диффузия. Диффузия в многокомпонентных средах. Стационарная и нестационарная
диффузия. Массоперенос в неподвижной среде и в ламинарном потоке. Конвекция,
параметры подобия и основные закономерности переноса в случае вынужденной и
свободной конвекции. Турбулентная диффузия. Взаимодействие молекулярной и
турбулентной диффузии. Процессы перемешивания и рассеяния. Подобие и
безразмерные комплексы процессов переноса, числа Шмидта, Шервуда и др. Процессы
переноса массы на простых поверхностях в упрощѐнных ситуациях. Броуновское
движение. Марковские, гауссовы процессы. Уравнения Ланжевена, Фоккера-Планка.
Коалесценция, диффузия через барьер.
8
Движущая сила и кинетика процессов переноса массы и тепла. Расчѐт
движущей силы и способы еѐ выражения, кинетика процессов переноса. Использование
разницы концентраций и температур, коэффициентов передачи и сопротивления, чисел
единиц переноса и теоретических ступеней контакта, понятие кпд и т.д. Кинетика
переноса в газах.
Межфазный перенос без химической реакции. Законы описания. Плѐночная
модель. Модель пограничного диффузного слоя. Модели Хиггби и Данквертса. Понятие
обновления поверхности. Теория проницания. Теория концентрированных растворов
Онзагера. Модели переноса с учѐтом абсорбции. Модели передачи массы с учѐтом
межфазной турбулентности, диффузия вихрей и т.д. Влияние гидродинамической
обстановки на выбор модели переноса. Проблемы гидродинамики подвижной межфазной
поверхности. Эффекты нестационарности в вязком подслое. Практические примеры и их
анализ, дистилляция, абсорбция, экстракция и т.д.
Массоперенос с гомогенной химической реакцией. Кинетика гомогенных
реакций. Коэффициент ускорения переноса, расчѐт коэффициентов массопереноса в
случае медленных, быстрых и мгновенных реакций. Диффузионный и кинетический
режим. Реакции нулевого, первого и второго порядков. Примеры расчѐта практических
ситуаций в ламинарной и турбулентной среде, в газо-жидкостных и жидкостных системах.
Массоперенос через мембраны.
Массоперенос в гетерогенном катализе. Кинетика гетерогенных реакций с
учѐтом массопереноса и теплообмена. Модули Тиле, Зельдовича и др. Практические
примеры. Анализ влияния гидродинамической обстановки на параметры переноса.
Смешение и химические реакции. Проблемы. Временные масштабы реакции и
процесса смешения, примеры. Число Дамкелера. Смешение и эффекты переноса при
наличии гомогенной или гетерогенной химической реакции. Принципы работы с
системами, чувствительными к смешению.
Одновременный перенос массы и тепла. Процессы с гомогенной и
гетерогенной химической реакцией. Теплоперенос с химической реакцией. Влияние
массопереноса на скорость теплопереноса. Конденсация, образование тумана, влияние
изменения температуры межфазной границы.
Явления переноса в электрохимических системах. Концентрационная
поляризация. Вынужденная конвекция в топливных элементах. Диффузия в
электролитах. Перенос в пористых средах.
Основы расчѐта тепло и массообменных аппаратов. Практические примеры.
Характеристики работы массообменного оборудования.
Явления переноса в неньютоновских жидкостях.
Процессы переноса, индуцированные излучением.
Аналитические и аппроксимационные методы при анализе явлений
переноса. Практические примеры с различными граничными условиями.
Часть V. Техническая химическая термодинамика
Равновесные балансные соотношения в многокомпонентных системах.
Фазовые диаграммы многокомпонентных систем. Идеальные и неидеальные системы.
Расчѐт числа теоретических тарелок в процессах тепло и массопередачи. Рабочая линия
процесса. Материальные и тепловые балансы.
Реальные газы. Термодинамические свойства реальных газов. Течение газов и
паров. Дросселирование, инжектора и т.д..
Первое начало термодинамики. Применение к технологическому оборудованию.
КПД. Насосы, турбины, компрессоры, дроссельные устройства. Стационарные и
нестационарные потоки. Циклы тепловых машин: Рэнкина, Брайтона, Отто, Дизеля,
холодильный, солнечно-водородный цикл и т.д. Практические применения (реализации)
9
термодинамических циклов. Обратные циклы. Цикл теплового насоса, термохимический
трансформатор теплоты.
Второе начало термодинамики. Энтропия. Теплоѐмкость. Основные
термодинамические процессы. Постулаты Кельвина и Клаузиуса. Применение к
технологическому оборудованию. Оценка эффективности работы тепловых машин.
Преобразование энергии. Изоэнтропийная эффективность. Турбина, компрессор, сопло.
Эксергия, необратимость, анализ работоспособности термодинамических систем.
Процессы и аппараты химической технологии. Оценка термодинамической
эффективности их работы. Промышленные процессы сжижения, охлаждения,
расширения и т.д.
Альтернативные источники преобразования энергии. Топливные элементы,
биотопливо, энергия ветра, солнца, волн, осмоса, МГД генератор. Преобразование
энергии, КПД. Примеры.
Фазы и фазовое равновесие. Стабильное, метастабильное, нестабильное
состояние. Спинодаль и бинодаль.
Процессы переноса при фазовых переходах. Нуклеация, спинодальный распад,
теории Кука, Лангера и др. Процессы переноса при испарении, конденсации, плавлении.
Одновременный перенос тепла и массы. Процессы переноса при фазовых переходах в
твѐрдых телах. Динамика процессов разделения фаз.
5.3. План семинарских занятий
№ нед.
Тема семинаров
Контроль
1
2
3
4
5
6
7
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
10
26
27
28
29
30
6. Система контроля и оценки знаний обучающегося
Отличительной особенностью курса является применение в нем модульнорейтинговой системы ИКИ (индивидуальный кумулятивный индекс). Эта система
предусматривает прохождение текущих и промежуточных контрольных точек (домашние
задания, контрольные работы) и составлена таким образом, что контроль охватывает все
разделы курса. Все контрольные точки оцениваются определѐнным количеством баллов,
и к концу каждого семестра студент набирает некоторую сумму баллов, которая при
преодолении заранее определенного барьера может привести к получению им итоговой
оценки «автоматом» («отлично» и «хорошо»).
Данный курс физической химии состоит из одной вспомогательной и четырѐх
основных частей, по которым осуществляется текущий и промежуточный контроль, а
также проводится экзамен:
I часть – Избранные главы высшей математики
II часть – Введение в механику жидкости и техническую термодинамику
III часть – Гидродинамика и явления переноса
IV часть – Явления переноса массы и тепла в химических процессах
V часть – Техническая химическая термодинамика
Текущий контроль (ТК) осуществляется преподавателем и включает проверку
самостоятельного выполнения студентом домашних заданий. Домашнее задание каждого
модуля выполняется студентом самостоятельно с использованием лекций и учебных
пособий и оформляется в письменном виде. Задание должно быть сдано студентом в
строго определѐнные сроки в соответствии с учебным календарным планом. Целью такой
самостоятельной работы студента является подготовка к семинарским занятиям и
контрольным работам по соответствующим темам. Общая сумма баллов за работу над
домашними заданиями – 400 (по 100 на модуль).
Промежуточный контроль (ПК) состоит из четырех потоковых контрольных работ
(КР), требующих, в основном, решение задач, но также содержащих теоретические
вопросы. Сроки написания контрольных работ отражены в рабочем учебном плане.
Максимальная сумма баллов за одну КР – 400. Общая сумма баллов за все контрольные
работы – 1600.
Контрольные работы включают следующие разделы курса. КР1: все разделы I и II
частей курса, в основном – «Введение в механику жидкости и техническую
термодинамику». КР2 все разделы III части «Гидродинамика и явления переноса». КР3
все разделы IV части «Явления переноса массы и тепла в химических процессах». КР4
все разделы V части «Техническая химическая термодинамика».
В результате, в конце каждого семестра студент получает две суммы баллов,
которые определяют его зачѐтную оценку в первом семестре и итоговую исходную
позицию перед экзаменом, который проводится по окончании курса.
Таким образом, в конце первого семестра студент получает зачѐтную оценку по
результатам текущего контроля и двух написанных контрольных работ.
Итоговая курсовая оценка складывается из годовой суммы баллов по
промежуточному и текущему контролю.
При этом, дополнительно, если студент в течение прохождения курса не набрал
баллов, достаточных для получения положительной итоговой экзаменационной оценки
11
(«хорошо» или «отлично»), или желает повысить свою итоговую оценку, он сдает
экзамен, проводящийся письменно, включающий задачи и вопросы по всем темам
дисциплины, оценивающийся в 500 баллов. Баллы, полученные в семестре, суммируются
с баллами, полученными на экзамене.
Итого:
1. Для получения зачѐтной оценки после окончания первого семестра необходимо
преодолеть следующие барьеры:

«Отлично» - не менее 900 баллов.

«Хорошо» - не менее 700 баллов.

«Удовлетворительно» - не менее 500 баллов.
2. Для получения итоговой курсовой оценки «автоматом» до написания
экзаменационной работы необходимо преодолеть следующие барьеры:

«Отлично» - 1800 баллов.

«Хорошо» - 1400 баллов.
3. Для получения итоговой курсовой оценки после написания экзаменационной работы
необходимо преодолеть следующие барьеры:
 «Отлично» - 1800 баллов и получить за экзаменационную работу не менее 360
баллов.
 «Хорошо» - 1200 баллов и получить за экзаменационную работу не менее 280
баллов.
 «Удовлетворительно» - 1000 баллов и получить за экзаменационную работу не
менее 200 баллов.
7. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для
самостоятельной работы
8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Г. Ламб, Гидродинамика, 1947.
Frank M. White, Fluid Mechanics, 2010.
Под. Ред. В.И. Крутова, Техническая темодинамика, Высшая школа, 1991.
Мюнстер А., Химическая термодинамика. Пер. с нем. Изд.3, 2010.
Протодьяконов И.О., Люблинская Н.Е., Гидродинамика и массообмен в
системах газ---жидкость, 1990.
Протодьяконов И.О., Люблинская И.Е., Рыжков А.Е., Гидродинамика и
массообмен в дисперсных системах. Жидкость --- твердое тело, 1987.
В.В. Кафаров, Основы массопередачи, 1979.
Дж. Астарита, Массопередача с химической реакцией, 1971.
Т. Шервуд, Р. Пигфорд, Ч. Уилки, Массопередача, 1982.
Дополнительная литература
10.
11.
12.
Г.И. Баренблат, Автомодельные явления – Анализ размерностей и скейлинг,
Интеллект, 2009.
Гуйго Э.И., Техническая термодинамика, 1984.
Андрющенко А.И., Основы термодинамики циклов теплоэнергетических
установок. Изд.3, перераб. и доп., 1985.
12
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
Протодьяконов И.О., Сыщиков Ю.В., Турбулентность в процессах
химической технологии, 1983.
Протодьяконов И.О., Муратов О.В., Евлампиев И.И., Динамика процессов
химической технологии, 1984.
Протодьяконов И.О., Марцулевич Н.А., Марков А.В., Явления переноса в
процессах химической технологии (серия «Процессы и аппараты химической
и нефтехимиической технологии»), 1981.
Эглит М.Э., Лекции по основам механики сплошных сред, 2014.
Лежнин С.И., Кувшинов Г.Г. Техническая термодинамика: - Новосибирск:
Изд-во НГТУ. - 2000. - 100 с.
Алексеенко С.В. Феноменологическая теория процессов переноса в
сплошных средах: Учеб. пособие.
- Красноярск: Красноярский
госуниверситет, 1988.
Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera, Fundamentals of
Heat and Mass Transfer, 2011.
Kenneth A. Kroos, Merle C. Potter, Thermodynamics for Engineers, 2014.
Milo D. Koretsky, Engineering and Chemical Thermodynamics, 2012.
Noel de Nevers, Fluid Mechanics for Chemical Engineers, 2004.
R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena,
2006.
Meinhard Schobeiri, Applied Fluid Mechanics for Engineers, 2014.
Joel L. Plawsky, Transport Phenomena Fundamentals, 2014.
Michael M. Abbott, J. M. Smith, Hendrick C. Van Ness, Introduction To Chemical
Engineering Thermodynamics, 2004.
Ronald L. Panton, Incompressible Flow, 2013.
Jefferson W. Tester, Michael Modell, Thermodynamics and Its Applications, 1996.
Г. Шлихтинг, Теория пограничного слоя, 1974.
Marcio L. de Souza-Santos, Analytical and Approximate Methods in Transport
Phenomena, 2008.
Интернет-ресурсы
http://en.wikipedia.org
Разработчик программы, к.х.н.
А. О. Кузьмин
13