Программа-минимум кандидатского экзамена 01 04 14(т н)

ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена
по специальности 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника
технические науки
Цели и задачи программы-минимум.
Ключевые слова: законы термодинамики, тепловые машины, термодинамические циклы,
обратимые и необратимые процессы, энтропия, термодинамические потенциалы, фазовые
переходы, влажный воздух, функции распределения, равновесное излучение,
коэффициенты переноса, термодинамика плазмы, теория подобия, конвективный
теплообмен, теплопроводность, конденсация, кипение, капиллярно-пористые тела,
гидрогазодинамика, теплобменники, тепловые трубы, тепловые насосы.
Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 01.04.14 – теплофизика и
теоретическая теплотехника (технические науки) соответствует паспорту данной
специальности.
Цель программы-минимум состоит в информационном обеспечении фундаментальной и
профессиональной подготовки аспиранта (соискателя) по специальности 01.04.14 –
теплофизика и теоретическая теплотехника (технические науки).
Задачей программы является формирование у специалиста высшей квалификации общих
методологических подходов к изучению цикла специальных дисциплин и их взаимосвязи
со смежными областями, получение знаний, умений и навыков по теоретическим и
практическим аспектам специальности 01.04.14 – теплофизика и теоретическая
теплотехника (технические науки).
Требования к знаниям, умениям и навыкам аспиранта (соискателя).
Аспирант (соискатель) должен:
знать и владеть теоретическими основами в области теплофизики и теплотехники;
уметь и владеть навыками проведения лабораторного и вычислительного эксперимента
при исследовании теплофизических процессов.
ТЕРМОДИНАМИКА
Термодинамический метод изучения состояния макроскопических систем.
Феноменологический характер термодинамики. Параметры состояния, равновесные и
неравновесные термодинамические процессы. Законы идеального газа.
Первый закон термодинамики. Работа и теплота как функции процесса. Энтальпия,
понятие о теплоемкости. Калорические и термические свойства вещества. Процесс
Джоуля - Томсона.
Циклы ( прямые и обратные ), тепловые машины. Цикл Карно, коэффициент полезного
действия тепловой машины. Формулировки второго закона термодинамики.
Термодинамическая шкала температур. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия.
Понятие о вероятности термодинамического состояния и связь вероятности состояния с
энтропией.
Характеристические термодинамические функции: внутренняя энергия, энтальпия,
свободная энергия, свободная энтальпия. Характеристические функции как
термодинамические потенциалы. Соотношения Максвелла.
Дифференциальные соотношения для теплоемкостей. Связь между изобарной и
изохорной теплоемкостями, их выражение через производные от энергии и энтальпии по
температуре. Зависимость теплоемкости идеальных газов от температуры.
Уравнения состояния термодинамических систем. Термические и калорические уравнения
состояния. Термические коэффициенты: изотермической сжимаемости, термической
упругости, термического расширения. Уравнения Клапейрона - Менделеева и Ван-дерВаальса.
Системы с переменным количеством вещества. Химический потенциал.
Термодинамическое равновесие. Принцип минимальности термодинамических функций.
Условия термохимического равновесия в многофазных многокомпонентных системах.
Фазовые переходы первого рода. Фазовые диаграммы. Тройная и критическая точки.
Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Правило фаз Гиббса. Фазовые переходы второго рода.
Термические и калорические свойства чистых веществ. Критическая точка. Уравнение
Ван-дер-Ваальса. Метастабильные состояния. Качественное отличие свойств реальных
газов от идеальных. Термодинамические свойства веществ на линии фазовых переходов.
Термодинамические свойства влажного пара и перегретого пара. Термодинамические
диаграммы состояния вещества.
Влажный воздух. Характеристики состояния влажного воздуха. Влагосодержание,
абсолютная и относительная влажность. Диаграмма состояний влажного воздуха.
Температура точки росы.
Элементы химической термодинамики. Применение первого закона термодинамики к
химическим процессам. Закон Гесса. Химическое равновесие, закон действующих масс,
константа равновесия. Понятие о влиянии кинетики химических реакций на
термодинамические и переносные свойства химически реагирующих систем.
II. СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА, ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И
ТЕРМОДИНАМИКА НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССОВ.
Распределения Бозе-Эйнштейна, Ферми-Дирака, Максвелла-Больцмана. Критерий
вырождения газа. Равновесное излучение ( фотонный газ ), формула Планка. Тепловое
движение в кристаллах, фононный газ. Закон Дюлонга и Пти, температура Дебая. Закон
равнораспределения энергии по степеням свободы ( классическая теория ). Двухатомный
газ, вклад вращательных и колебательных степеней свободы в теплоемкость.
Системы взаимодействующих частиц. Метод Гиббса. Микроканоническое и каноническое
распределения Гиббса.
Функция распределения молекул газа по скоростям. Вычисление макроскопических (
средних ) величин при заданной функции распределения. Средняя длина свободного
пробега, число Кнудсена. Элементарная теория процессов переноса в газе, определение
коэффициентов вязкости, диффузии, теплопроводности. Кнудсеновская диффузия.
Физические процессы в плазме. Квазинейтральность и разделение зарядов.
Электростатическое экранирование. Дебаевский радиус и плазменная частота.
Термодинамика плазмы, внутренняя (тепловая и кулоновская) энергия плазмы. Плазма как
идеальный газ. Равновесие ионизации, формула Саха.
Процессы переноса в плазме, коэффициенты продольной и поперечной диффузии.
Анизотропия процессов переноса в магнитном поле, соотношение Эйнштейна,
амбиполярная (совместная) диффузия. Приближение магнитной гидродинамики.
Основы термодинамики необратимых процессов. Термодинамические силы и потоки.
Линейные законы и соотношения Онзагера. Уравнение для производства энтропии.
III . ТЕПЛО - И МАССОПЕРЕНОС.
Основы теории подобия и метода размерностей. Безразмерные числа подобия. П теорема. Уравнения подобия тепло-и массопереноса.
Теплопроводность.
Дифференциальное уравнение теплопроводности (диффузии). Законы Фурье, Фика,
коэффициенты теплопроводности, температуропроводности, диффузии.
Теплопроводность многокомпонентных растворов и газовых смесей. Формулировка
краевых задач теплопроводности при граничных условиях I, II и III рода, методы их
решения. Основные методы измерения теплофизических характеристик и тепловых
потоков. Понятие об обратных задачах теплопроводности. Неустойчивость обратных
задач.
Конвективный теплообмен.
Дифференциальные уравнения конвективного теплопереноса и массопереноса. Закон
Ньютона для теплообмена. Коэффициенты теплообмена, теплопередачи.
Теплообмен при вынужденном ламинарном течении жидкости. Температурный и
диффузионный пограничные слои. Аналогия Рейнольдса.Температурный погранслой на
пластине, автомодельные решения уравнений пограничного слоя. Задача о теплопереносе
в круглой трубе при ламинарном течении (задача Гретца-Нуссельта).
Теплообмен при свободной конвекции. Система уравнений свободноконвективного
теплообмена в приближении Буссинеска. Теплообмен в свободноконвективном
погранслое у вертикальной пластины (задача Польгаузена). Переход
свободноконвективного течения из ламинарного в турбулентное, критическое число
Релея. Теплопередача при свободноконвективном турбулентном движении.
Теплообмен при вынужденном турбулентном течении жидкости. Переход ламинарного
течения в турбулентное. Критические значения критерия Рейнольдса для трубы и
пограничного слоя на пластине. Полуэмпирические теории турбулентности. Турбулентная
вязкость, путь перемешивания Прандтля. Логарифмический профиль скоростей.
Турбулентный перенос тепла. Расчет теплообмена при турбулентном течении жидкости в
трубе. Теплопередача в турбулентном пограничном слое. Критериальные уравнения для
теплообмена при турбулентных течениях. Аналогия Рейнольдса для ламинарного и
турбулентного течений. Влияние шероховатости на теплоотдачу. Теплоотдача при
поперечном омывании труб и пучков труб.
Теплоперенос в разреженных газах. Коэффициент аккомодации. Явления скольжения и
температурного скачка в разреженных газах. Число Кнудсена. Различные режимы течения
разреженных газов. Особенности теплообмена в свободномолекулярном течении,
зависимость теплового потока от давления.
Тепло- и массоперенос при фазовых превращениях.
Теплообмен при конденсации пара. Пленочная и капельная конденсация. Теплообмен при
пленочной конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке. Теплообмен при
конденсации пара из парогазовой смеси. Теплообмен при пленочной конденсации
движущегося пара внутри трубы, на горизонтальных трубах и пучках труб. Теплообмен
при капельной конденсации.
Теплообмен при кипении однокомпонентных жидкостей. Режимы кипения жидкости.
Механизмы теплопереноса при пузырьковом кипении. Зависимость теплового потока от
температурного напора. Отрывной диаметр пузыря, скорость роста и частота отрыва
пузырей. Структура двухфазного потока и теплообмен при кипении жидкости внутри
труб.Теплоотдача при дисперсно-кольцевом режиме течения.
Кризисы кипения. Механизм теплообмена при пленочном кипении жидкости. Теплообмен
при ламинарном движении паровой пленки. Теплообмен при турбулентном движении
паровой пленки.
Тепло-и массобмен при сублимации (испарении) с поверхности теплообмена. Формула
для скорости интенсивного испарения вещества в вакуум. Формула Герца-Кнудсена.
Теплообмен излучением.
Основные законы теплового излучения. Закон Планка, закон Стефана-Больцмана.
Закон Кирхгофа, закон Ламберта. Поглощение, испускание и рассеяние излучения.
Индикатриса рассеяния. Угловые коэффициенты излучения.
Инегро-дифференциальное уравнение переноса излучения, двухпотоковое приближение.
Оптическая толщина среды, приближения оптически тонкого и оптически толстого слоя.
Коэффициент лучистой теплопроводности. Совместный перенос тепла
теплопроводностью и излучением.
Капиллярно-пористые тела.
Капиллярно-пористые тела, их структурные характеристики. Поверхностное натяжение,
капиллярное давление, формула Томсона.
Закон фильтрации Дарси, коэффициент проницаемости. Уравнения фильтрации для
насыщенных сред. Феноменологические теории тепло-и массопереноса в пористых
средах, квазигомогенное приближение, эффективные коэффициенты диффузии.
Ненасыщенные пористые среды. Формы связи влаги сматериалами. Изотермы сорбции и
десорбции. Многофазная фильтрация. Функция Леверетта. Системы уравнений тепло-и
массопереноса при многофазной фильтрации в двухтемпературной модели. Коэффициент
внутреннего теплообмена. Система уравнений взаимосвязанного тепло-и массопереноса
(теория А.В.Лыкова). Конвективная диффузия в пористых средах, дисперсионные
эффекты. Основы фильтрационного горения.
Гидрогазодинамика.
Уравнения движения идеальной жидкости: уравнения неразрывности, Эйлера, энергии.
Уравнение Бернулли. Потенциальное движение.
До-и сверхзвуковое течения газа. Число Маха. Предельная скорость стационарного
истечения газа в пустоту.
Поверхности разрыва. Тангенциальные разрывы и ударные волны. Изменение
термодинамических параметров газа при прохождении его через ударную волну. Ударная
адиабата. Гидродинамика горения: медленное горение и детонация.
Стационарное течение газа в канале переменного сечения. Расчетные и нерасчетные
режимы течения. Сопло Лаваля.
Нестационарное одномерное течение идеального газа. Распространение возмущений
конечной интенсивности (возникновение в трубе ударных волн). Волны разрежения.
Элементарная теория ударной трубы.
Динамика вязкой жидкости. Связь между тензором напряжений и тензором скоростей
деформаций. Реологический закон Ньютона. Ньютоновские вязкие жидкости. Основные
реологические законы неньютоновских вязких жидкостей.
Уравнения Навье-Стокса. Ламинарное течение жидкости в трубе. Закон Гагена-Пуазейля.
Движения вязкой жидкости при больших значениях критерия Рейнольдса. Вывод
уравнений Прандтля для ламинарного погранслоя. Толщина вытеснения. Пограничный
слой на пластине, автомодельное решение Блазиуса.
IV. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ И ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.
Паросиловые циклы, цикл Ренкина, цикл с промежуточным перегревом пара. Понятие о
паровых котлах, паровых турбинах осевых и радикальных. Понятие о теплофикационном
цикле.
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных двигателей и
понятие о газотурбинных и парогазовых установках, зависимость коэффициента
полезного действия ус-тановок от термодинамических параметров циклов.
Холодильные (обратные) циклы. Холодильные установки: воздушные,
парокомпрессионные, абсорбционные. Принцип работы теплового насоса. Понятие о
методах получения сжиженных газов.
Термодинамический анализ работы компрессоров. Варианты процесса сжатия в
компрессоре. Поршневые и ротационные компрессоры. Многоступенчатые компрессоры.
Изображение рабочих процессов компрессора в энтропийных диаграммах. Понятие о
работе центробежных и осевых компрессоров.
Физические основы тепловых труб. Устройство и принцип работы тепловых труб. Виды
тепловых труб. Особенности процессов тепло-и массопереноса в тепловых трубах.
Классификация и принцип работы теплообменников. Рекуперативные и регенеративные
теплообменники. Основные конструкции прямо-и противоточных теплообменниковрекуператоров. Расчет средней разности температур при прямотоке и противотоке.
Различные схемы расположения повехностей теплообмена при перекрестном токе.
Теплопередача при перекрестном токе. Принцип действия и конструкции регенераторов.
Уравнения теплового баланса в регенераторах.
Дифференциальные уравнения, описывающие распределение температур в регенераторе.
Характерные распределения температур в насадке регенератора. Соотношения для
коэффициента теплопередачи в регенераторе.
Коэффициенты полезного действия и методы сравнения циклов теплосиловых установок.
Методы интенсификации теплообмена.
Развитые поверхности теплообмена рекуперативных теплообменных аппаратов.
ЛИТЕРАТУРА:
Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика.-М.: Наука,
1972
Базаров И.П. Термодинамика - М.: Наука,1961
Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая
М.:Энергия,1974
термодинамика.-
Вукалевич М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика.- М: Энергия, 1968
Мартыненко О.Г.,Саковишин Ю.Л. Свободкоконвективный теплообмен.Справочник.Мн.:Наука итехника,1982
Лыков А.В. Теория теплопроводности.-М.:Высшая школа,1967
Лыков А.В.Теплообмен.Справочник.-М.:Энергия,1972
Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М: Энергия, 1975
Павлюкевич Н.В.,Горелик Г.Е.,Левданский В.В.,Лейцина В.Г.,Рудин Г.И. Физическая
кинетика и процессы переноса при фазовых превращениях.-Мн.: Наука и техника,1980
Шульман З.П. Конвективный тепломассоперенос реологически сложных жидкостей.-М.:
Энергия, 1975
Зигель Р., Хауэлл Д. Теплообмен излучением.-М.: Мир,1975
Оцисик М.Н. Сложный теплообмен.-М.: Мир,1976
Морс Ф. Теплофизика.-М.: Наука, 1968
Цянь Сюэ-Сень. Физическая механика.-М.: Мир, 1965
Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы.-М.: Атомиздат,1964
Коган М.Н.Динамика разреженных газоыв.-М.: Наука,1967
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика.-М.: Наука,1986
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.-М.: Наука,1970
Бурштейн А.И.,Солоухин Р.И. Физика молекулярных и сплошных сред.- Новосибирск:
Изд.НГУ,1972
Солоухин Р.И. Ударные волны и детонация в газах.-М.: Физматгиз,1963
Зельдович Я.Б.,Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных
гидродинамических явлений.-М.: Физматгиз,1963
Лифшиц Е.М.,Питаевский Л.П. Физическая кинетика - М.: Наука,1963
Анисимов С.И.,Имас Я.А.,Романов Г.С.,Ходыко Ю.В.Действие излучения большой
мощности на металлы.-М.: Наука,1970
Хейфец Л.И.,Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах.- М.: Наука,1982
Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1972
Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике.-М.: Наука,1965
Гухман А.А.Введение в теорию подобия.-М.: Высшая школа,1963
Карелоу Х.С., Егер Д.К. Теплопроводность твердых тел.-М.: Наука,1964
Тихонов А.Н.,Самарский А.А.Уравнения математической физики.-М.: Наука,1966
Шлихтинг. Теория пограничного слоя.- М.: Наука,1969
Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.-М.: Атомизд,1979
Васильев Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах.-Мн.: Наука и техника,1981
Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы
тепловых труб.- М: Атомиздат, 1978
Колесников П.М. Методы теории переноса в нелинейных средах.-Мн.: Наука и
техника,1981
Теория тепломассообмена (под редакцией А.И.Леонтьева) - М.: Высшая школа
Теплопередача в двухфазном потоке (под редакцией Д.Баттерворса и Г.Хьюитта) - М.:
Энергия,1980
Адзерихо К.С. Лекции по теории переноса лучистой энергии -Мн.: Изд.БГУ, 1975
Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена М.: Машиностроение,1988
Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов.М.:
Машиностроение,1979
Сергеев О.А.,Шашков А.Г. Теплофизика оптических сред.- Мн.: Наука и техника,1973
Физико-химические и теплофизические свойства растворов на основе четырехокиси
азота.- Под редакцией В.Б.Нестеренко.- Минск.- Наука и техника.- 1981.
А.Миснар. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций.- М.- Мир.1968.
Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе.- М:
Энергоиздат – 1981
Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников.- М: Атомиздат – 1971
Лебедев Д.П., Перельман Т.Л. Тепло-и массообмен в процессах сублимации в вакууме.М: Энергия, 1973
Добрего К.В., Жданок С.А. Физика фильтрационного горения газов. Мн., ИТМО, 2002.
Себиди Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. М.: Мир, 1987. Int. Encyclopedia of
Heat and Mass Transfer. N.Y., 1996.
Пригожин И., Кандепури Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до
диссипативных структур. - М.: Мир, 2002. - 461 с.
Теплотехника / И.А.Архаров, В.И.Афанасьев и др. - М:Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана,
2004. - 712 с.