Программа курса Термодинамика и теплопередача

1
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Московский государственный технический университет им.
Н.Э. Баумана
“УТВЕРЖДАЮ”
Первый проректор
по учебной работе
МГТУ им. Н.Э. Баумана
_____________Е.Г.Юдин
“___” “__________”
2002 г.
ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
(учебная программа)
Факультет: РК
Специальность: № 170900, Подъемно-транспортные, строительные,
дорожные машины и оборудование (кафедра РК4)
Виды учебных работ
Объем работ, час
Всего
Семестр VIII, 17 недель
85
85
68
68
34
34
17
17
17
17
17
17
5 часов, 10 недель
5 часов, 10 недель
5 часов, 16 недель
5 часов, 16 недель
Выделено на дисциплину
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
лабораторные работы
Самостоятельная работа
домашнее задание № 1
домашнее задание № 2
самостоятельная проработка
курса
и
подготовка
к
контрольным работам
7 часов
Виды отчетности по
дисциплине
контрольная работа
зачеты
Факультет
Энергомашиностроение
Кафедра
Теплофизика
7 часов
КР, 9 неделя
зачет
2
Программа курса “Термодинамика и теплопередача”
для специальности РК4
1. Цели и задачи.
В настоящее время развитие науки и техники характеризуется
лавинообразным ростом знаний и взаимопроникновением смежных
областей. Поэтому возрастает роль фундаментальных дисциплин,
позволяющих с единых позиций оценивать технические устройства
и использовать в своей деятельности общие закономерности
физических процессов.
Термодинамика и теория теплообмена изучают закономерности
передачи энергии в макроскопических системах, т.е. в системах
состоящих из большого количества частиц. Хотя движение каждой
из этих частиц в отдельности подчиняется законам механики (в
механической системе), их совместное поведение характеризуется
другими закономерностями, присущими системе как целому.
Вопросы, рассматриваемые в курсе, являются основой для
расчета и проектирования машин и установок различного
назначения. В результате изучения курса “Термодинамика и
теплопередача” студенты должны получить знания и навыки,
необходимые для выполнения расчета термодинамических
процессов, а также процессов теплообмена с использованием
современной вычислительной техники.
Для достижения этой цели студент должен знать:
Основные принципы оценки эффективности работы машин и
установок,
базирующиеся
на
фундаментальных
законах
термодинамики.
Принципы физического и математического моделирования
тепловых процессов.
Студент должен уметь:
Сформулировать содержание и конечную цель решений
рассматриваемой
проблемы,
связанной
с
расчетом
и
проектированием машин и аппаратов различного назначения.
Разработать физическую модель процесса.
Оценить эффективность работы проектируемых машин и
аппаратов.
Для усвоения курса студентам необходимы знания, полученные
при изучении математики, физики, теоретической механики, химии,
алгоритмических языков программирования.
3
В процессе изучения материала должны быть использованы
технические средства обучения, современная вычислительная
техника, а также комплекс учебных лабораторных установок.
Необходимым условием успешного усвоения материала является
применение активных форм обучения, включающее семинарские и
лабораторные занятия, домашние задания и самостоятельную
работу студентов. Текущий контроль осуществляется путем
индивидуального собеседования со студентами перед проведением
лабораторных работ и при приеме домашних заданий
Выполнение домашних заданий является важнейшим этапом
обучения студентов и имеет своей целью закрепление
теоретических знаний и практических сведений при решении
конкретных технических задач, а также развития навыков
самостоятельной работы с технической литературой.
2. Содержание дисциплины.
Часть 1. Термодинамика (16 часов)
1. Введение - 4 часа
Краткий исторический очерк. Основные понятия и исходные
положения равновесной термодинамики: термодинамические
системы, термодинамические параметры, равновесие, постулаты
термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы,
термическое и калорическое уравнения термодинамической
системы.
Идеальный газ как пример термодинамической системы. Смесь
идеальных газов. Реальные газы: уравнения Ван-дер-Ваальса и
Майера-Боголюбова. Примеры других систем.
2. Первый закон термодинамики - 2 часа
Равновесные и неравновесные процессы. Теплота и работа как
формы обмена энергией. Теплоемкость. Энтальпия и располагаемая
работа. Аналитическое выражение первого закона термодинамики
для закрытых и открытых термодинамических систем.
3. Анализ обратимых процессов - 4 часа
4
Приложения первого закона термодинамики к процессам
изменения физического состояния газа. Анализ изобарных,
изохорных, изотермических, адиабатных и политропных процессов.
4. Второй закон термодинамики - 4 часа
Обратимые и необратимые процессы. Формулировки второго
закона термодинамики. Энтропия. Энтропийная формулировка
второго
закона
термодинамики.
Вычисление
энтропии
термодинамических систем. T - S диаграмма. Термодинамический
цикл. Цикл Карно, теоремы Карно. Неравенство Клаузиуса.
Основное уравнение термодинамики обратимых процессов.
Понятие о характеристических функциях и дифференциальных
уравнениях термодинамики.
5. Понятие о сложных термодинамических системах - 2 часа
Сложные термодинамические системы. Координаты состояния,
потенциалы взаимодействия, число степеней свободы. Первый
закон термодинамики для сложных термодинамических систем.
Основное уравнение термодинамики обратимых процессов для
сложных
термодинамических
систем.
Примеры
сложных
термодинамических систем.
Часть 2. Теплопередача (18 часов)
1. Введение - 3 часа
Виды переноса теплоты и их механизм. Основные понятия и
определения: температурное поле, векторные поля температурного
градиента и плотности теплового потока. Изотермы и линии
теплового тока. Законы термодинамики - основа для построения
математических моделей теории теплообмена. Основные допущения
при построении теории теплообмена.
Закон
Фурье
для
теплового
потока.
Коэффициент
теплопроводности для различных классов веществ.
2. Кондуктивный теплообмен - 6 часов
5
Вывод уравнения теплопроводности для однородного,
изотропного твердого тела. Выражение для теплового потока при
высокоинтенсивных процессах передачи тепла. Уравнение
теплопроводности в криволинейных системах координат:
цилиндрическая и сферическая системы координат. Уравнение
теплопроводности для анизотропного твердого тела. Постановка
краевой задачи теплопроводности, виды граничных условий. Обзор
основных
аналитических методов решения стационарных и
нестационарных задач теплопроводности. Особенности применения
численных методов в теории теплопроводности. Стационарные
температурные поля в пластине и цилиндре (одномерные задачи)
при постоянных теплофизических свойствах материала (в том числе
для веществ с внутренним тепловыделением). Нестационарное
уравнение теплопроводности в безразмерном виде.
3. Конвективный теплообмен - 2 часа
Введение: основные факторы, влияющие на интенсивность
переноса тепла путем конвекции. Уравнение энергии (без вывода).
Система уравнений конвективного теплообмена
.
4. Метод обобщенных переменных (теория подобия) - 3 часа
Безразмерная форма системы уравнений конвективного
теплообмена. Критерии подобия. Методы обработки и обобщения
результатов физического и численного эксперимента.
Основные критериальные зависимости для расчета теплоотдачи в
трубах и каналах при ламинарном, переходном и турбулентном
течении. Теплоотдача при внешнем обтекании тел. Свободноконвективный теплообмен.
5. Радиационный теплообмен - 2 часа
Основные понятия и определения: плотность потока излучения,
интенсивность излучения. Спектральные характеристики излучения.
Закон Планка, законы Стефана-Больцмана. Лучистый теплообмен
между двумя параллельными пластинами. Понятие о теплообмене
между газом и оболочкой.
Практические занятия - 17 часов
№ № п/п
Тема
Кол.
6
1
2
3
4
5
6
7
8
Термическое уравнение состояния
Теплоемкость. Работа
Термодинамические процессы в идеальном
газе
Расчет газового цикла (цикл двигателя
внутреннего сгорания с подводом тепла по
изохоре)
Теплопроводность
при
стационарном
режиме
Теплопроводность при нестационарном
режиме
Применение критериальных уравнений для
расчета конвективного теплообмена
Радиационный теплообмен
часов
2
2
2
2
3
2
3
1
Лабораторные работы - 17 часов
№ № п/п
1
Работа
ТД-О1
2
ТД-О5
3
ТП-О1
4
ТП-О5
5
ТП-11
Наименование
"Определение
изобарной
теплоемкости
воздуха"
"Исследование процесса адиабатического
истечения воздуха через суживающееся сопло
"Определение
коэффициента
теплопроводности твердых тел"
"Исследование
теплообмена
при
вынужденном движении воздуха в трубе"
"Определение коэффициента
излучения
твердого тела калориметрическим методом"
Самостоятельная работа студентов - 17 часов
1. Подготовка и выполнение домашних заданий
2. Работа с учебником, проработка лекционного материала.
7
№№
п/п
Наименование домашних заданий
Выдать
Принять
Газовый цикл
Теплопроводность при стационарном
режиме
5
10
10
16
Подготовка к выполнению лабораторных работ, семинарским
занятиям, контрольной работе на 9 неделе по теме: Основные
законы термодинамики и их применение.
3. Учебно-методические материалы.
Основная литература
1. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. - М.:
"Высшая школа", 1988. - 48О с.
2. 1. Базаров И.П. Термодинамика. - М.:"Высшая школа", 1991. 376 с.
3. Задачник по технической термодинамике и теории
тепломассообмена/Под. ред. Крутова В.И, Петражицкого Г.Б. - М.:
"Высшая школа", 1986. - 384 с.
Дополнительная литература
1. Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и
статистической физики. - М.: “Высшая школа", 1981. - 536 с.
2. Теория тепломассообмена/Под ред. Леонтьева А.И. - М.:
Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. - 683 с.
3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Энергия, 1968. 72Ос.
4. Лабораторный
практикум
по
термодинамике
и
теплопередаче/Под ред. Крутова В.И. и Шишова Е.В. - М.:
“Высшая школа”, 1988. - 216 с.
5. Методические указания к лабораторным работам по курсу
“Термодинамика”/Под ред. Кожинова И.А. - М.: 1988. - 70 с.
6. Методические указания к лабораторным работам по курсу
“Теория теплообмена”/Под ред. Кожинова И.А. - М.: 1988. - 70с.
7. Техническая термодинамика. Учебник для ВУЗов/Под ред.
Крутова В.И. - М.: "Высшая школа", 1991.
8
8. Исаев С.И. Курс химической термодинамики. - М.: "Высшая
школа", 1986. - 272 с.
9. Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. - М.:
Энергоатомиздат, 1986. - 208 с.
10. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. - М.: ”Мир”, 1983. 512 с.
11. Галин Н.М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной
энергетике). - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 376 с.
12. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. - М.:
"Высшая школа", 1982, Ч.1. - 327 с.
13. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы теории теплопроводности. - М.:
"Высшая школа", 1982, Ч.2. - 304 с.
14. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная
гидромеханика и теплообмен. - М.: "Мир", 1990, т.т. 1,2. -728 с.