Самостоятельная работа - Теплофизика

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
"УТВЕРЖДАЮ"
Первый проректорпроректор по учебной работе МГТУ
им.Н.Э.Баумана
_________________Е.Г. Юдин
«____»___________2002 г.
Термодинамика и теплопередача
(учебная программа)
Факультет МТ
Специальность 12.05.00 «Оборудование и технология сварочного
производства» (МТ7)
Виды учебных работ
Выделено на дисциплину
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Домашние задания
ДЗ №1
ДЗ №2
Самостоятельная проработка курса
Виды отчетности по дисциплине
Зачет
Экзамен
Кафедра, ведущая занятия
Объем работ, час.
Всего
51
34
34
17
10
5
5
7
5 сем
51
34
34
17
10
5
5
7
зачет
зачет
Факультет
«Энергомашиностроение»
Кафедра Э-6
«Теплофизика»
Раздел 1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина входит в цикл «Научно-теоретическая подготовка» и
состоит из двух взаимосвязанных частей:
1 часть. «Термодинамика».
II часть. «Теплопередача».
Основные цели дисциплины: подготовка специалистов к научноисследовательской работе и конструированию тепломассообменного
оборудования,
разработке
и
созданию
высокоэффективных,
технологических сварочных процессов и оборудования.
Задачи дисциплины – приобретение знаний, умений и навыков в
постановке
и
решении
научных,
исследовательских
и
проектноконструкторских задач, связанных с расчетом, разработкой и
созданием энергетических установок различного назначения.
Профессиональные навыки, умения и знания, приобретаемые в
результате изучения дисциплины.
Навыки и умения.
Студент должен уметь:
1) Сформулировать цель рассматриваемой проблемы, связанной с расчетом
и проектированием энергетических установок различного назначения.
2) Вести анализ и разработку структурных, функциональных и
конструктивных схем тепломассообменных систем и оборудования.
3) Выполнять расчеты термодинамических и тепломассообменных
процессов в энергетических и тепломассообменных устройствах.
Знания.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Студент должен знать:
1. Законы:
Фундаментальные законы о превращениях энергии в различных
термодинамических процессах, первое и второе начало термодинамики.
Законы идеальных газов (Авогадро, Дальтона, Бойля-Мариотта и др.).
Закон теплопроводности Фурье в сплошных средах и аналог закона Ома
для процессов теплопередачи.
Реологические законы, закон вязкого трения Ньютона. Закон НьютонаРихмана (для теплоотдачи). Аналогия Рейнольдса.
Физические законы и дифференциальные уравнения конвективного
тепломассообмена при ламинарном и турбулентном течениях.
Физические законы лучистого теплообмена (Кирхгофа, СтефанаБольцмана, Планка, Ламберта и др.).
2. Характеристики:
1) Теплофизические характеристики сред.
2) Характеристики и параметры состояния. Потенциалы и координаты
состояния. Характеристические функции.
3) Характеристики термодинамических процессов.
4) Характеристики тепломассообменных процессов. Обобщенные параметры
и критерии тепломассообмена.
3. Понятия:
Термодинамическая система, контрольная поверхность, поверхность
раздела, фаза, идеальный и реальный газ. Энергия, работа, теплота, давление,
удельный объем, температура, внутренняя энергия энтальпия, энтропия,
свободная энтальпия, свободная энергия, теплоемкость, процесс, цикл.
Теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача, тепломассообмен.
Температурный градиент, изотермические поверхности, тепловой поток,
плотность теплового потока, коэффициент теплопередачи, коэффициент
теплоотдачи, термические сопротивления и напряжения. Пограничный слой
динамический, тепловой, диффузионный. Критерий, критериальные
уравнения. Диатермические и запыленные среды, диффузное излучение,
приведенная степень черноты; локальный, средний и разрешающий
коэффициенты излучения.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
4. Методики:
расчета газовых смесей, теплоемкостей, термодинамических процессов,
циклов, параметров состояния и функций процесса;
расчета коэффициентов теплопереноса при ламинарном и турбулентном
течении жидкости в трубах и каналах;
расчета теплообмена при обтекании плоской пластины и при поперечном
обтекании труб;
расчета теплообмена при естественной конвенции в ограниченном и
неограниченном пространстве;
расчета лучистого теплообмена между двумя телами в системе с
экранами, между газом и оболочкой, через плоский излучающий слой;
расчет процессов теплопроводимости по формулам и с применением
номограмм.
Основные исходные, профессиональные и интеллектуальные
навыки, умения, знания, необходимые для изучения
дисциплины.
Изучению данной дисциплины предшествует подготовка студентов по
высшей математике, информатике, физике, химии, механике жидкости и газа.
При изучении указанных дисциплин студенты получают фундаментальную
подготовку, основные исходные профессиональные и интеллектуальные
навыки, умения и знания, необходимые для успешного усвоения данной
дисциплины.
В процессе изучения дисциплины используются технические средства
обучения (диаграммы состояния, таблицы и номограммы решений,
персональные ЭВМ и др.).
Применяются активные формы обучения, включающие, выполнение
расчетных домашних заданий и самостоятельную работу студентов под
контролем преподавателя. Текущий контроль качества усвоения материала
осуществляется путем индивидуального собеседования преподавателя со
студентами при приеме домашних заданий, при выполнении
самостоятельной работы студентов под контролем преподавателя.
Раздел 2. Содержание дисциплины-34 час.
Часть 1. Термодинамика (14час.).
1.1. Введение.(1 час).
1.2. Основные понятия и определения: термодинамическая система,
внутренняя энергия, формы взаимодействия (теплота и работа),
термодинамические степени свободы, термомеханическая система. Гомо- и
гетерогенная системы фазы и модификации. (1 час).
1.3. Характеристики и параметры состояния независимые переменные,
координаты состояния. Потенциалы взаимодействия, уравнения состояния,
поверхность состояний, равновесное состояние. Критерии стабильности,
уравнения состояния идеального газа. Реальные газы и уравнение Ван-дерВаальса. (2 час).
1.4. Термодинамический процесс и цикл, естественный, равновесный и
обратимый процессы. Графическое представление процесса. Уравнение
процесса. Выражение работы и теплоты через характеристики состояния.
Рабочая и тепловая диаграммы. Зависимость количества теплоты и работы от
характера процесса. (2 час).
1.5. Принцип существования и возрастания энтропии. Второе начало
термодинамики – закон о возможности и направлении термодинамических
процессов. Физический смысл аналитического выражения второго начала.
Энтропия и термодинамическая вероятность состояния. (1 час).
1.6. Теплоемкость. Удельная теплоемкость: массовая, объемная, молярная.
Истинная и средняя теплоемкость. Зависимость теплоемкости от характера
процесса. Теплоемкости Ср и Сv идеального газа. Вычисление средней
теплоемкости для интервала температур. (1 час).
1.7. Открытая система. Работа вытеснения. Энтальпия. Располагаемая работа,
возможности ее использования, ее выражение через параметры состояния и
представление в координатах РV. (1 час).
1.8. Газовые смеси. Смеси идеальных газов. Массовые, объемные и мольные
доли. Формулы, выражающие соотношения между массовыми и объемными
долями. Парциальные давления. Кажущаяся молекулярная масса газовой
смеси. Газовая постоянная газовой смеси. Теплоемкость газовой смеси. (1
час).
1.9. Первое начало термодинамики и две формы его уравнения –
применительно к закрытой и открытой системам. Четыре варианта основного
уравнения термодинамики. Свободная энергия и свободная энтальпия. Метод
функций. Характеристические функции и соотношения Максвелла. (2 часа).
1.10. Термодинамические процессы. Понятие политропного процесса. Анализ
политропного процесса и его частных вариантов: изохорного, изобарного,
изотермического, адиабатного. Особенности термодинамического анализа
процессов. Вычисление неизмеряемых функций состояния: внутренней
энергии, энтальпии, энтропии идеального газа. (2 час).
Часть 2. Теплопередача(20 час.)
2.1. Введение.
Виды теплообмена (1 час)
2.2. Основные понятия и определения: температурное поле, градиент
температуры, плотность теплового потока, термические напряжения.
Гипотеза Фурье, коэффициент теплопроводности, уравнение теплоотдачи
Ньютона, коэффициент теплоотдачи, уравнение теплопередачи, коэффициент
теплопередачи, закон Стефана-Больцмана. Математическое описание
теплообмена в среде: уравнения энергии, движения, неразрывности (без
вывода), условия однозначности (геометрические, физические, начальные,
граничные). Граничные условия I-го, 2-го, 3-го рода. (3 час).
2.3. Стационарная теплопроводность: плоская стенка с граничными
условиями I-го, 2-го и 3-го рода (постановка задачи – дифференциальное
уравнение и условия однозначности, решение), цилиндрическая стенка с
граничными условиями I-го, 2-го и 3-го рода (постановка задачи, результат
решения). Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенку. Пути
интенсификации теплопередачи. Графический метод расчета теплопередачи.
Критическая толщина изоляции. Контактное термосопротивление. (4 часа).
2.4. Нестандартная теплопроводность и ее стадии. Метод разделения
переменных. Безразмерная форма решений и их номограммы. Метод
источников и его реализация. (3 часа).
2.5. Конвективный теплообмен. Основные дифференциальные уравнения,
описывающие процесс конвективного теплообмена. Понятие о подобии
физических явлений. Теоремы подобия. Критерии подобия. Условия подобия
явлений теплообмена. Конвективный теплообмен в случае естественной
конвекции в условиях ограниченного и неограниченного пространства.
Критериальные уравнения для случая вынужденной конвекции при
движении жидкости в каналах и при внешнем обтекании тел. Пограничный
слой и аналогия Рейнольдса. (5 час.).
2.6. Лучистый теплообмен. Основные понятия и определения: поток
излучения, плотность излучения в полусферу, интенсивность излучения;
поглащательная, отражательная и пропускательная способности. Абсолютно
черное тело, степень черноты. Законы излучения: Планка, Вина, СтефанаБольцмана, Кирхгофа, Ламберта. Теплообмен излучением между твердыми
телами. Уравнения Фредгольма. Зональный метод расчета. Угловые
коэффициенты излучения. Приведенная степень
черноты системы.
Теплообмен излучением при наличии экранов.
Запыленные среды. Особенности излучения и поглощения газов. (4
час).
Раздел 3. Темы практических занятий.
Самостоятельная работа (17 час.)
3.1. Домашние задания (10 час).
№ темы
1.8, 1.12 Газовые смеси и теплоемкости. Трудоемкость – 5 час.
Выдача задания на 5 нед. Контроль при защите на 8 нед.
2.3.
Стационарная
теплопроводность.
Термические
напряжения.
Трудоемкость – 5 час. Выдача задания на 10 нед. Контроль при защите на 14
нед.
3.2. Самостоятельное изучение дисциплины (7 час.)
Раздел 4. Учебно-методические материалы по дисциплине.
4.1. Основная и дополнительная литература
Основная литература
1. Техническая термодинамика. Учебник для ВУЗов (под ред. В.И.Крутова)
3-е изд. М.: Высшая школа. 1991.
2. Теория тепломассообмена. Учебник для ВУЗов. (под ред.А.И.Леонтьева)
2-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1997.
3. Исаев С.И. Термодинамика. – 3-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2000.
4. Теплотехника. Учебник для ВУЗов (под ред. В.И. Крутова). М.:
Машиностроение. 1986.
1.
2.
3.
4.
Дополнительная литература.
Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена.
Учебное пособие для машиностроительных ВУЗов (под ред. В.И. Крутова
и Г.Б. Петражицкого) М.: Высшая школа. 1986.
Лабораторный практикум по термодинамике и теории теплообмена.
Учебное пособие для ВУЗов (под ред. В.И. Крутова и Е.В. Шишова) М.:
Высшая школа. 1988.
С.С. Кутателадзе. Основы теории теплообмена. изд. М.: Атомиздат. 1979.
А.В. Лыков. Тепломассообмен. 2-ое изд. М.: Энергия. 1978.
4.2. Перечень пособий.
Для демонстрации на лекциях используется комплект плакатов.
4.3. Использование ЭВМ.
Для выполнения домашних заданий – 10 часов на ПЭВМ (на каждого
студента).
Программа
составлена
на
основании
Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования по
специальности 12.05.12 «Оборудование и технология сварочного
производства», утвержденного 14 апреля 2000 г.
Программу составил:
доцент, к.т.н. каф. Э 6
Пылаев А.М.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры (МТ 7)
Заведующий кафедрой
член-корр. РАН
Алешин Н.П.
Председатель методической
комиссии МТ
Гирш В.И.
Декан НУК МТ
МГТУ им. Н.Э.Баумана
Колесников А.Г.
Согласовано:
Заведующий кафедрой Э 6
проф. д.т.н.
Хвесюк В.И.
Начальник методического
отдела
Васильев Н.В.