1 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» МФТИ(ГУ) Кафедра «Физика и химия наноструктур» «УТВЕРЖДАЮ» Проректор по учебной работе Ю.Н. Волков 2012 г. . РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА по дисциплине: Введение в термодинамику газоплазменного состояния по направлению: 010900 Прикладные математика и физика профиль подготовки: Физика высоких плотностей энергии факультеты: ФПФЭ кафедра Физика высоких плотностей энергии курс: 4 (бакалавриат) семестры: осенний и весенний диф. зачет 8 семестр Трудоёмкость в зач. ед.: вариативная часть – 3 зач. ед.; в т.ч.: лекции: вариативная часть – 32 час., практические (семинарские) занятия: 16 лабораторные занятия: нет мастер классы, индивид. и групповые консультации: нет самостоятельная работа: вариативная часть – 24 час. курсовые работы: нет подготовка к экзамену: вариативная часть – 1 зач.ед. ВСЕГО АУДИТОРНЫХ ЧАСОВ 48 Программу составил доцент, д.ф.-м.н., Иосилевский И.Л. Программа обсуждена на заседании кафедры Физика высоких плотностей энергии «____» _______________2012 г. Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., чл.-коррр РАН, проф. О.Ф. Петров 2 ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ. Вариативная часть, в т.ч. : __4___ зач. ед. Лекции __32___ часов Практические занятия __ 16___ часов Лабораторные работы __ нет ___ часов Индивидуальные занятия с преподавателем __нет___ Самостоятельные занятия __24__ часов часов Итоговая аттестация Диф.зачет 8 семестр, ВСЕГО 4 зач. ед. 100 час 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ Цель курса – Целью курса является изучение физических основ термодинамики газоплазменного состояния и особенностей проявления эффектов кулоновского взаимодействия Задачами данного курса являются: освоение студентами базовых знаний в области термодинамики неидеальных систем; приобретение теоретических знаний в области изучения свойств термодинамики газоплазменного состояния; оказание консультаций и помощи студентам в проведении ими собственных исследований в рамках НИР в аспектах, связанных с термодинамикой плазмы; 2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП БАКАЛАВРИАТА Дисциплина _ Введение в термодинамику газоплазменного состояния _ включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к вариативным части цикла _Б.3_ кода УЦ ООП. Дисциплина Введение в термодинамику газоплазменного состояния базируется на циклах Б.2 курса 1,2,3 базовой и вариативных частях. 3 КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Освоение дисциплины Введение в термодинамику газоплазменного состояния направлено на формирование следующих общекультурных и общепрофессиональных интегральных компетенций бакалавра: а) общекультурные (ОК): способность анализировать научные проблемы и физические процессы, использовать на практике фундаментальные знания, полученные в области естественных и гуманитарных наук (ОК-1); способность осваивать новые проблематику, терминологию, методологию и овладевать научными знаниями, владеть навыками самостоятельного обучения (ОК-2); способность логически точно, аргументировано и ясно формулировать свою точку зрения, владеть навыками научной и общекультурной дискуссией (ОК-3); готовность к творческому взаимодействию с коллегами по работе и научным коллективом, способность и умение выстраивать межличностное взаимодействие, соблюдая уважение к товарищам и проявляя терпимость к иным точкам зрения (ОК-4); б) профессиональные (ПК): способность применять в своей профессиональной деятельности знания, полученные в области физических и математических дисциплин, включая дисциплины: общая физика, теоретическая физика, термодинамика, квантовая механика, статистическая физика, высшая математика (ПК-1); способность применять различные методы физических исследований в избранной предметной области:, статистические методы описания свойств плазмы, вычислительные методы, методы математического и компьютерного моделирования объектов и процессов (ПК-2); способность понимать сущность задач, поставленных в ходе профессиональной деятельности, использовать соответствующий физико-математический аппарат для их описания и решения (ПК-3); способность использовать знания в области физических и математических дисциплин для дальнейшего освоения дисциплин в соответствии с профилем подготовки (ПК-4); способность работать с современным программным обеспечением, приборами и установками в избранной области (ПК-5); способность представлять результаты собственной деятельности с использованием современных средств, ориентируясь на потребности аудитории, в том числе в форме отчетов, презентаций, докладов (ПК-6); готовность работать с исследовательским оборудованием, приборами и установками в избранной предметной области (ПК-7); 3. КОНКРЕТНЫЕ ЗНАНИЯ, УМЕНИЯ И НАВЫКИ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате освоения дисциплины «Введение в термодинамику газоплазменного состояния» обучающийся должен: 1. Знать: фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики плазмы и химической термодинамики; порядки численных величин, характерные для различных разделов термодинамики плазмы и реагирующих систем; расширить понимание современных проблем физики, химии, математики; понимать формы проявления квантовых эффектов в термодинамики плазмы; 4 2. Уметь: абстрагироваться от несущественного при моделировании реальных физических ситуаций в проблемах энергетики и физики высоких плотностей энергии; пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных и прикладных задач в области физики высоких плотностей энергии; делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента; производить численные оценки по порядку величины; делать качественные выводы при переходе к предельным условиям в изучаемых проблемах; видеть в прикладных задачах энергетики их главное физическое содержание; осваивать новые предметные области, теоретические подходы и вычислительные методики в термодинамике реагирующих кулоновских систем и вещества в экстремальных состояниях; эффективно использовать информационные технологии и компьютерную технику для достижения необходимых теоретических и прикладных результатов. 3. Владеть: навыками освоения большого объема информации; навыками самостоятельной работы в лаборатории и Интернете; культурой постановки и моделирования задач в физике высоких плотностей энергии; навыками грамотного сопоставления предсказаний теории c опытными данными; практикой исследования и решения теоретических и прикладных задач в физике высоких плотностей энергии; 4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Структура дисциплины «Введение в термодинамику газоплазменного состояния» Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам № темы и название Количество часов 1. Основные понятия термодинамики вещества с высокой концентрацией энергии 16 2. Неидеальная плазма в земных и космических приложениях. 12 3. Общие сведения о фазовой диаграмме вещества с высокой концентрацией энергии. 10 4. Связь термодинамики с приближением сплошной среды. 8 5. Общие сведения о механизмах неидеальности и их влиянии на термодинамику вещества с высокой концентрацией энергии 12 6. Особенности кулоновской неидеальности в плотной плазме. 14 ВСЕГО (зач. ед.(часов)) 72 (3 зач.ед.) 5 ВИД ЗАНЯТИЙ ЛЕКЦИИ: № Темы Трудоёмкость в зач. ед. (количество часов) Основные понятия термодинамики вещества с высокой концентрацией энергии Неидеальная плазма в земных и космических приложениях. 8 Общие сведения о фазовой диаграмме вещества с высокой концентрацией энергии. Связь термодинамики с приближением сплошной среды. 6 Общие сведения о механизмах неидеальности и их влиянии на термодинамику вещества с высокой концентрацией энергии Особенности кулоновской неидеальности в плотной плазме. 4 п.п. 1 2 3 4 5 6 ВСЕГО ( зач. ед.(часов)) 6 4 8 32 час (2 зач.ед.) ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ – нет ВИДЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ № N Темы п.п. 1 2 3 4 - изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из лекций, результаты контролируются преподавателем на лекционных занятиях. Используются электронный конспект лекций, методические пособия, учебники и монографии, рекомендуемые данной программой. - решение задач и поиск ответа на теоретические вопросы по заданию преподавателя – решаются задачи, заданные преподавателем по итогам лекционных занятий совместно всеми студентами. - обсуждение со студентами тем их конкретных НИР и поиск ответа на теоретические вопросы по заданию преподавателя. Результаты обсуждаются преподавателем совместно всеми студентами. Используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, включая электронные, учебнометодические пособия. - Подготовка к дифференцированному зачету с использованием электронного конспекта лекций, методических пособий, учебников и монографий, рекомендованных данной программой. ВСЕГО ( зач. ед.(часов)) Трудоёмкость в зач. ед. (количество часов) 6. 6. 6 6 24час.+ 1 зач.ед. 6 Содержание дисциплины № Название Разделы и п/п модулей темы лекционных занятий 1 I Термодинамика вещества с высокой концентрацией энергии Основные понятия термодинамики вещества с высокой концентрацией энергии Содержание Состояние термодинамического равновесия. Равновесие полное и частичное. Двухтемпературная плазма, "замороженные" степени свободы. Особенности термодинамического равновесия в кулоновских системах. Электрохимический и локальный химический потенциалы. Термодинамические величины. Общая структура. Иерархичность. Стандарт обозначений. Термодинамические ("Производящие") потенциалы, их естественные переменные. Сопряженные переменные. Исключительность свободной энергии F(N,V,T) и термодинамического потенциал (,V,T) в теории неидеальной плазмы. Безразмерные комплексы: PV/RT, U/RT, U/PV и др. Дифференциальные характеристики: теплоемкости, сжимаемость, коэффициент термического расширения, скорость звука, показатели изотермы и изоэнтропы, параметр Грюнайзена. Уравнения состояния (УРС): Термическое и калорическое УРС. Неполнота калорического УРС U(P,V). Особенности термодинамического описания в сопряженных переменных. Термодинамические процессы. Обратимые и необратимые. Адиабатические процессы. Смысл их графического изображения. Ударное и изоэнтропическое сжатие и расширение (адиабаты Пуассона и Гюгонио). Исключительная роль калорического УРС U(Р,V) для описания гидродинамики адиабатических течений и для экспериментального изучения неидеальной плазмы (ударные волны, взрывающиеся проволочки, изоэнтропические разгрузка и сжатие). Связь параметров адиабатических процессов с калорическим УРС. Понятие о термодинамическом подобии. Объем СамоАудистояторная тельная работа работа (зачет(зачетные ные единиединицы/часы) цы/часы 8 4 7 Неидеальная плазма в земных и космических приложениях. 2 3 _________ Фазовая диаграмма и фазовые переходы Общие сведения о фазовой диаграмме вещества с высокой концентрацией энергии. Традиционные объекты. Разряды. Продукты сгорания и взрыва. Плазма в современных и перспективных энергоустройствах. Инерциальный термоядерный синтез. Ядерная энергетика. Проблемы безопасности и техногенных катастроф. Высокоэнергетическое воздействие на вещество. Лазерный нагрев. Электронные и ионные пучки. Микроэлектровзрыв. Неидеальная плазма в астрофизических приложениях. Характерные параметры плазмы астрофизических объектов (Солнца, планет-гигантов, белых и коричневых карликов, нейтронных звезд). Примеры нетрадиционных систем с сильным кулоновским взаимодействием. Электрон-дырочная плазма полупроводников. Плоские слои зарядов. Ионы в магнитных ловушках. Области конденсированного, плазменного и идеально-газового состояния. Зона электронного вырождения. Границы фазовых переходов испарения и плавления перехода газ-жидкость в термическом и калорическом УРС. Общий вид фазовой диаграммы вещества в стандартных представлениях: PN, P-V, T-V и H-T. Сосуществование фаз. Уравнение Клапейрона Клаузиуса. Двухфазные области. Бинодаль, спинодаль, тройная и критическая точки. Метастабильные состояния. Опорные размерные величины вещества: нормальная плотность, теплота плавления, кипения и сублимации, энергии ионизации, диссоциации и др. Критические параметры. Взаимосвязь с параметрами межчастичного взаимодействия. Понятие полос ионизации (ПИ). Укрупненные (оболочечные) полосы. Полосы молекулярных превращений. Взаиморасположение. Предельные свойства. Связь с термохимическими параметрами. Полуэмпирические закономерности для границы перехода газ-жидкость. Правило прямолинейного диаметра. Линейность логарифма давления насыщения как функции от обратной 8 4 8 4 8 температуры. Степенной характер убывания теплоты испарения с температурой. Понятие о гипотетических “плазменных фазовых переходах” (ПФП). История и современные поиски в плотной плазме водорода, благородных газах и металлах. Результаты экспериментальных поисков ПФП. Неконгруэнтные фазовые переходы (НФП) в плазме смесей и химических соединений (компаундов). Особенности фазовых диаграмм НФП. Фазовые переходы в уран-содержащих топливах современных и перспективных ядерных реакторов и связь с проблемой безопасности ядерной энергетики. 4 5 _________ Термодинамика неидеальных систем Связь термодинамики с приближением сплошной среды. Связь электростатики и термодинамики в задачах термо-электроста-тики. "Самосогласованное" приближение ("среднего поля"). Безкорреляционные приближения Пуассона-Больцмана и Томаса-Ферми. Простейший учет корреляций. Приближения Томаса-ФермиДирака и Пуассона-Больцмана-Дебая. Примеры: электроны в атомной ячейке, заряды вокруг мелкодисперсной конденсированной частицы, структура двойного электрического слоя на границе проводника, профиль заряда в Zпинче, ионы в магнитных накопителях. Течения. Адиабатические течения: изоэнтропическое, дросселирование, расширение в пустоту, ударное сжатие. Эффективный показатель изоэнтропы. Приближение локального термодинамического равновесия (ЛТР). Полное и неполное ЛТР. Замороженные течения. Роль калорического уравнения состояния U(PV) в адиабатических течениях. Связь показателя изоэнтропы и формы ударной адиабаты с УРС U(PV). Неполнота термодинамического описания, содержащаяся в калорическом УРС. Пример трех идеальных газов и системы частиц с взаимодействием ~ 1/r2. Общие Понятие о механизмах неидеальносведения о сти по разным типам межчастичного механизмах взаимодействия и их влияния на термонеидеальдинамику газоплазменных систем. ности и их Терминология. "Поправки на неидеаль- 8 4 8 4 9 влиянии на термодинамику вещества с высокой концентрацией энергии Особенности кулоновской неидеальности в плотной плазме. 6 № п/п ность". Идеализация бинарноаддитивного межчастичного взаимодействия. Два эффекта межчастичного притяжения – образование ассоциаций и потеря термодинамической устойчивости (фазовый переход). Основные эффекты и определяющие безразмерные параметры. Ионизация давлением. Термин и содержание. Строение N-Т диаграммы для водорода и плазмы металлов. Взаимодействие заряд-нейтрал и нейтралнейтрал. Параметры неидеальности. Дебаевское приближение для поправок на неидеальность. Проблема разделения степеней свободы на внутренние и поступательные. Общие представления об аппарате строгой теории неидеальных систем. Разложения, диаграммы, Понятия о диаграммном пересуммировании. Неидеальная плазма в идеализированных кулоновских моделях. Общие сведения о семействе кулоновских моделей и структуре их фазовых диаграмм. Однокомпонентная классическая плазма (ОКП). Электронный газ (модель “желе”). Модель классической ионной смеси. Заряженные твердые сферы. Двухкомпонентные модели. Фазовые свойства кулоновских моделей. 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Вид занятия Форма проведения занятий 1 лекция Изложение теоретического материала 2 лекция 3 лекция 4 самостоя- Изложение теоретического материала с помощью презентаций Решение задач по заданию (индивидуальному где требуется) преподавателя – готовится ответы на вопросы, выданные (индивидуально и коллективно) преподавателем в процессе лекционных занятий и обсуждаются с участием всех слушателей, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, а также учебно-методические пособия Подготовка к применению полученных знаний в НИР студента, подготовка к зачету с 8 4 Цель получение теоретических знаний по дисциплине повышение степени понимания материала осознание связей между теорией и практикой, а также взаимозависимостей разных дисциплин повышение степени по- 10 тельная работа студента оценкой нимания материала 6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Перечень контрольных вопросов для сдачи дифференцированного зачета в 7-ом семестре. 1. Термодинамические параметры и функции. Терминология. Классификация. Экстенсивные и интенсивные, удельные, сопряженные. Термодинамические ("производящие") потенциалы и их собственные переменные. Термодинамические потенциалы, преимущественно используемые в теории неидеальных систем. Основные безразмерные комплексы термодинамических величин (PV/RT, U/RT, U/PV, Cp/R, Cv/R и др.). Их предельные значения для идеального газа. 2. Уравнения Состояния (УРС). Термическое и калорическое. "Усеченное" калорическое УРС. Связь показателя изэнтропы и уравнения ударной адиабаты с усеченным калорическим УРС (вывод). Общий случай и частный: U(P,V) = U(PV) = A + B*PV. 3. Адиабатические и неадиабатические термодинамические процессы. Примеры. Что необходимо задать из термодинамики для расчета газодинамики адиабатических процессов. 4. Полное и частичное термодинамическое равновесие. Локальное термодинамическое равновесие (ЛТР). Двухтемпературная плазма. 5. Понятие о термодинамическом пределе. Размерность термодинамических функций в термодинамическом пределе. Особенность в случае плазмы. Иерархичность полного набора термодинамических функций и независимых переменных. Особенности термодинамического предела в плазме. 6. Идеальный газ. Смысл термина. Разновидности. Совершенный газ. Квазиидеальный газ. Идеальная смесь. Примеры. Различие системы без взаимодействия и системы без корреляций. Идеальный газ со статистикой Больцмана, Ферми, Бозе. УРС идеального фермигаза при T = 0 и при Т > 0. 7. Структура фазовой диаграммы идеальной частично ионизованной невырожденной плазмы (включая области плавления и испарения): "Полосы" ионизации (ПИ) и диссоциации (ПД). Границы, форма и расположение полос в ПИ и ПМ в координатах -T, U-T и P-T. 8. Ход термодинамических зависимостей при пересечении полос ионизации и диссоциации. Поведение безразмерных комплексов PV/RT и U-3/2PV на изолиниях. Искажения изоэнтропы и ударной адиабаты, пересекающих ПИ. Понятие об "оболочечных" осцилляциях. 9. Виды межчастичных взаимодействий. Смысл терминов - короткодействие и дальнодействие. Условия "малости" взаимодействия. Взаимодействия парные и непарные, аддитивные и не..., насыщаемые и бинарно-аддитивные. Термодинамические проявления межчастичного притяжения и отталкивания. Образование ассоциатов, фазовые переходы, жесткость УРС вещества в конденсированном состоянии, "холодная кривая". 10. Примеры простейших моделей неидеальных систем с короткодействием и дальнодействием. Выражение для параметра неидеальности. 11. Понятие о вириальном и групповом разложениях. Формула для второго вириального коэффициента. 12. Диаграмма и параметры неидеальности классической и квантовой однокомпонентной плазмы. Структура асимптотических разложений электронного газа в двух пределах слабой неидеальности. 11 7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор, звуковая система) Необходимое программное обеспечение: Стандартные пакеты Оффиса: PPT, WORD etc. Обеспечение самостоятельной работы Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных http://www.ihed.ras.ru/rusbank/ http://www.nist.gov/pml/data/index.cfm http://www.americanelements.com/ Обеспечение образовательного процесса лабораторным оборудование – нет 8. НАИМЕНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ –УЧЕБНЫМ ПЛАНОМ НЕ ПРЕДУСМОТРЕНЫ 9. ТЕМАТИКА И ФОРМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАБОТЫ – УЧЕБНЫМ ПЛАНОМ НЕ ПРЕДУСМОТРЕНЫ 10. ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ РАБОТ – УЧЕБНЫМ ПЛАНОМ НЕ ПРЕДУСМОТРЕНЫ 11. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Основная литература. 1. Иосилевский И.Л. Общая характеристика термодинамического описания низкотемпературной плазмы, Энциклопедия Низкотемпературной Плазмы, т.I (Под ред. В.Е.Фортова) (М.: Наука, 2000) с.275. (См файлы) 2. Иосилевский И.Л. Старостин А.Н. Проблема термодинамической устойчивости в низкотемпературной плазме, "Энциклопедия Низкотемпературной Плазмы", т.I ( Под ред. В.Е.Фортова) (М.: Наука, 2000) с.327. 3. Фортов В.Е., Якубов И.Т., Храпак А.Г. - Физика Неидеальной Плазмы, ИХФ Черноголовка, 1984. Энергоатомиздат, 1994. 4. Эбелинг В., Крефт В., Кремп Д. - Теория связанных состояний и ионизационного равновесия в плазме, МИР, Москва, 1979. 5. Иосилевский И.Л. Эффекты неидеальности в низкотемпературной плазме, Энциклопедия низкотемпературной плазмы, Том приложений III-1, Ред. А.Н. Старостин и И..Л. Иосилевский / М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, сс.349-428. Дополнительная литература. 6. Статистическая физика - учебники: Ландау и Лифшиц; Квасников, МГУ, 1991; Р.Кубо; Р.Фейнман, Уленбек и Форд, Т.Хилл, К.Хуанг (1966), А.Исихара (1973) и др.) 7. Термодинамика - учебники: Базаров И.П. (1976), Кубо (1970) 8. Грязнов В.К, Иосилевский И.Л., Фортов В.Е., Термодинамика ударно-сжатой плазмы в квазихимическом представлении, Том III-1 приложений к Энциклопедии по физике низкотемпературной плазмы, «Термодинамические свойства низкотемпературной плазмы» М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. cc.111-139 9. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. - Физика ударных волн, Наука, М.1966 10. Крефт В, Кремп Д, Эбелинг В, Репке Г. Квантовая статистика систем заряженных частиц (М.: Мир, 1988) 11. Зеленер Б.В., Норман Г.Э., Филинов В.С. Теория возмущений и псевдопотенциал в статистической термодинамике (М.: Наука, 1981) 12. Теплофизика рабочих сред газофазного ядерного реактора /ред. В.М.Иевлев/, Атомиздат, Москва, 1980. (авторы: - Грязнов В.К., Иосилевский И.Л., Красников Ю.Г., Кузнецова Н.И., Кучеренко В.И., Лаппо Г.Б., Павлов Г.А., Сон Э.Е., Фортов В.Е.) 12 Пособия и методические указания. Сон Э.Е. Теплофизические свойства высокотемпературных сред, Учебное пособие МФТИ, 2002. Программу составил профессор, д.ф.–м.н. И.Л.Иосилевский, «_12__»_октября__2012 г.