Прикладная термодинамика - Учебно

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Волосникова Л.М.
__________ _____________ 2011г.
ПРИКЛАДНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и
микросистемная техника» бакалавр, очная форма обучения
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы ________________________/Бахмат Г.В./
«______»___________2011г.
Рассмотрено на заседании кафедры механики многофазных систем
«21» апреля 2011 г., протокол № 10.
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 13 стр.
Зав. кафедрой _________________ /Шабаров А.Б./
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ «____»______________ 2011 г., протокол
№____.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК _________________/Глухих И.Н./
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/Федорова С.А./
«______»_____________2011 г.
1
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра механики многофазных систем
БАХМАТ Г.В.
ПРИКЛАДНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления
222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» бакалавр
очная форма обучения
Тюменский государственный университет
2011
2
Бахмат Г.В. Прикладная термодинамика. Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для студентов направления 222900.62
«Нанотехнологии и микросистемная техника» бакалавр, очная форма
обучения.
–
Тюмень:
Издательство
Тюменского
государственного
университета, 2011. – 13 с.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Прикладная термодинамика [электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой механики многофазных систем.
Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного
университета.
Ответственный редактор:
зав. кафедрой механики многофазных систем,
д.т.н., профессор А.Б. Шабаров.
Рецензенты:
Б.В.Моисеев, д.т.н., профессор.
А.А.Кислицын, д.ф.-м.н., профессор.
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Бахмат Г.В., 2011.
3
Учебно-методический
следующие разделы:
комплекс.
Рабочая
программа
включает
1. Пояснительная записка
Рабочая программа дисциплины «Прикладная термодинамика»
составлена в соответствии с требованиями к результатам, условиям и
структуре подготовки бакалавров по циклу естественных дисциплин
Федерального государственного образовательного стандарта высшего
профессионального
образования
по
направлению:
222900.62
«Нанотехнологии и микросистемная техника», очной формы обучения.
Рабочая программа дисциплины «Прикладная термодинамика»
подготовки бакалавров предназначена для организации обучения студентов
четвертого курса Института математики, естественных наук и
информационных технологий, которые продолжают осваивать курс
нанотехнологии и микросистемной техники в качестве основного материала
для лекций, практических занятий и самостоятельной работы по курсу
«Прикладная термодинамика».
Материал представлен с учетом современных достижений и тенденций
развития в области термодинамики и имеет прикладную направленность.
Программа рассчитана на седьмой семестр. Вид промежуточной
аттестации – контрольная работа и зачет. Общая трудоемкость дисциплины
составляет 144 часов, зачетных единиц 4.
1.1 Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины: научить студента квалифицированно решать
различные теплофизические задачи, которые неизбежно будут возникать в
его дальнейшей работе, как в процессе обучения на старших курсах, так и
при работе по специальности после окончания Вуза. «Прикладная
термодинамика» относится к числу учебных дисциплин для инженерных
специальностей, изучаемых в ТюмГУ. Она является одной из важнейших
научных дисциплин при подготовке дипломированных бакалавров
направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника».
Дисциплина, в отличие от курса технической термодинамики, посвящена,
главным образом, изучению особенностей термодинамики двухфазных
систем (водяного пара и влажного воздуха), а также проблемам истечения
жидкостей, паров и газов через сопла различной формы, что в точности
соответствует профилю кафедры механики многофазных систем.
Задачи дисциплины:
- овладение студентами аналитических методов решения задач по
термодинамике;
- познакомить студентов с особенностью теромдинамики двухфазных
систем (водяного пара и влажного воздуха);
- углубленно изучить проблемы истечения жидкостей, паров газов
через сопла различной формы;
4
1.2 Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Прикладная термодинамика» – это дисциплина по
выбору, которая входит в вариативную часть профессионального цикла.
При изучении дисциплины используются знания, полученные
студентами в курсах: «Физика», «Химия» и «Теплофизика» и других.
Освоение дисциплины «Прикладная термодинамика» необходимо при
последующем
изучении
дисциплин
«Термодинамика»,
«Тепломассоперенос», «Гидродинамика».
1.3 Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО
В результате освоения ООП бакалавриата выпускник должен обладать
следующими компетенциями:
 готовностью и способностью использовать фундаментальные законы
природы и основные законы естественно-научных дисциплин в
профессиональной деятельности (ПК-2);
 способностью понимать сущность и значение информации в развитии
современного информационного общества, сознавать опасности и
угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные
требования безопасности, в том числе защиты государственной тайны
(ПК-5).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
ЗНАТЬ основные понятия, определения, принципы и законы термодинамики
двухфазных систем;
УМЕТЬ правильно
применять
их
при
анализе
различных
термодинамических процессов и циклов;
ВЛАДЕТЬ приемами и навыками решения конкретных задач из разных
областей прикладная термодинамики, помогающих в дальнейшем
решать инженерно-производственные и научные задачи.
ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ о применении законов термодинамики
двухфазных систем в промышленности и энергетике.
2. Структура и трудоемкость дисциплины
Данная дисциплина читается в седьмом семестре. Форма промежуточной
аттестации – зачет, контрольная работа. Общая трудоемкость дисциплины
составляет – 144 часов, зачетных единиц 4 (лекции – 36 ч., практические
занятия – 36 ч., самостоятельная работа – 72 час.).
3. Тематический план
Таблица 1
Тематический план. VII семестр
5
2.
1.
2.
1.
2.
Итого количество баллов
Из них в интерактивной
форме
Итого часов по теме
Самостоятельная
работа
1.
2
Модуль 1
Понятие двухфазной системы,
водяной пар, его виды и
основные характеристики
Термодинамические процессы с
водяным паром, энтропийные
диаграммы.
Всего
Модуль 2
Схемы и циклы паросиловых
установок
Влажный
воздух
и
его
характеристики,
энтальпийные
диаграммы
Всего
Модуль 3
Истечение жидкостей, паров и
газов. Режимы истечения.
Конфузоры и диффузоры, сопло
Лаваля.
Всего
Итого за курс:
Семинарские
(практические)
занятия
1
Лекции
Тема
Виды учебной работы
и самостоятельная
работа, в час.
недели семестра
№
3
4
5
7
8
9
10
1-2
4
4
8
16
6
0-10
3-6
8
8
8
24
6
0-20
12
12
16
40
12
0-30
7-9
4
6
8
18
6
0-10
10-12
8
6
8
22
6
0-20
12
12
16
40
12
0-30
13-15
4
4
20
28
6
0-20
16-18
8
8
20
28
6
0-20
12
36
12
36
40
72
64
144
12
0-40
36
0-100
Таблица 3
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
Модуль 1
1. Понятие двухфазной системы,
водяной пар, его виды и основные
характеристики
2. Термодинамические процессы с
водяным паром, энтропийные
диаграммы.
Всего
Выполнение
домашнего
задания
Решение задач
на практическом
занятии
Письменные работы
контрольная
работа
ответ на
семинаре
№ темы
собеседование
Устный
опрос
Итого
количество
баллов
0-2
0-3
0-5
0-10
0-4
0-6
0-10
0-20
0-6
0-9
0-15
0-30
6
Модуль 2
3. Схемы и циклы паросиловых
установок
4.
Влажный
воздух
и
его
характеристики,
энтальпийные
диаграммы
Всего
Модуль 3
5. Истечение жидкостей, паров и газов.
Режимы истечения.
6. Конфузоры и диффузоры, сопло
Лаваля.
Всего
Итого
0-3
0-3
0-4
0-10
0-4
0-8
0-8
0-20
0-7
0-11
0-12
0-30
0-13
0-20
0-5
0-15
0-20
0-5
0-15
0-20
0-10
0-10
0-30
0-30
0-40
0-100
0-27
Таблица 4
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1 Понятие
двухфазной
системы, водяной пар,
его виды и основные
характеристики
1.2
Термодинамические
процессы с водяным
паром, энтропийные
диаграммы.
Виды СРС
обязательные
дополнительные
1. Работа с
учебной
литературой.
2. Проработка
лекций
1. Работа с
1. работа с
учебной
дополнительно
литературой.
й литературой
2. Выполнение
домашнего
задания.
3. Проработка
лекций
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1 3.Схемы
и
циклы 1. Работа с
паросиловых установок
учебной
литературой.
2. Выполнение
домашнего
задания.
3. Проработка
лекций
2.2 Влажный воздух и его 1. Работа с
характеристики,
учебной
энтальпийные
литературой.
диаграммы
2. Проработка
лекций
Всего по модулю 2:
Модуль 3
3.1 Истечение жидкостей,
1. Работа с
паров и газов. Режимы
учебной
истечения.
литературой.
7
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1-2
8
0-10
3-6
8
0-20
16
1. работа с
дополнительно
й литературой
7-9
8
0-10
10-12
8
0-20
16
1. работа с
дополнительно
й литературой
0-30
13-15
20
0-30
0-20
3.2
Конфузоры и
диффузоры, сопло
Лаваля.
2. Выполнение
домашней
контрольной
работы.
3. Проработка
лекций
1. Работа с
1. работа с
учебной
дополнительно
литературой.
й литературой
2. Выполнение
домашней
контрольной
работы.
3. Проработка
лекций
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
№
п/п
1.
2.
3.
16-18
20
0-20
40
72
0-40
0-100
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
Таблица 5
Наименование обеспечиваемых
Темы дисциплины необходимые для изучения
(последующих) дисциплин
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
+
+
Тепломассоперенос
+
+
+
+
Гидродинамика
+
+
+
+
+
+
Термодинамика
5. Содержание дисциплины
Содержание дисциплины разбито на следующие темы.
Модуль 1:
Тема 1. Понятие двухфазной системы, водяной пар, его виды и основные
характеристики. Особенности термодинамики двухфазных систем, области
применения таких систем, понятия степени сухости, влажности (абсолютной
и относительной), влагосодержания. Энтальпия и энтропия двухфазных
систем, диаграммы состояния. Сухой насыщенный, влажный и перегретый
пар, внутренняя и внешняя теплота парообразования, энтальпия, энтропия и
внутренняя энергия пара, таблицы и диаграммы состояния пара.
Тема 2. Термодинамические процессы с водяным паром, применение
энтропийных диаграмм. Особенности процессов с влажным паром, переход
через линию пограничной кривой. Изохорный, изобарный, изотермический,
адиабатный (изоэнтропный) процессы.
Модуль 2:
Тема 3. Схемы и циклы паросиловых установок. Цикл Карно, цикл
Ренкина ( для влажного пара, с перегревом и промежуточным перегревом
пара). Устройство и принцип работы паросиловых установок.
Тема 4. Влажный воздух и его характеристики, энтальпийные
8
диаграммы.Абсолютная и относительная влажность, парциальное давление
водяного пара, влагосодержание, степень насыщения, точка росы, плотность
и энтальпия влажного воздуха. Энтальпийная диаграмма Рамзина, процессы
сушки.
Модуль 3:
Тема 5. Истечение жидкостей, паров и газов. Режимы истечения. Вывод
уравнения скорости истечения для несжимаемых и сжимаемых жидкостей.
Понятие массовой скорости и расхода. Докритический(дозвуковой),
критический(звуковой) и закритический(сверхзвуковой) режимы истечения.
Истечение с учетом сопротивлений, дросселирование.
Тема 6. Конфузоры и диффузоры, сопло Лаваля. Виды сопел.
6. Планы практических занятий
Модуль 1:
Тема 1. Понятие двухфазной системы, водяной пар, его виды и основные
характеристики. Решение задач с помощью диаграмм и таблиц состояния
водяного пара. Определение степени сухости, давления и температуры.
Влажный, сухой и перегретый водяной пар. (4 часа)
Тема 2. Термодинамические процессы с водяным паром, энтропийные
диаграммы. Решение задач по определению теплоты, работы, изменения
энтальпии и энтропии пара в основных термодинамических процессах. (8
часов)
Модуль 2:
Тема 3. Схемы и циклы паросиловых установок. Расчет термодинамического
цикла простой паросиловой установки с перегревом пара и без перегрева. (4
часа)
Тема 4. Влажный воздух и его характеристики, энтальпийные диаграммы.
Решение задач по определению точки росы, абсолютной и относительной
влажности воздуха по формулам и диаграммам состояния. (8 часов)
Модуль 3:
Тема 5. Истечение жидкостей, паров и газов. Режимы истечения. Конфузоры
и диффузоры, сопло Лаваля. Решение задач по определению режимов и
скоростей истечения газов и паров через суживающиеся сопла и сопло
Лаваля. Понятие критического, докритического и закритического режима
истечения. (12 часов)
7. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
7.1 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля)
Данной рабочей программой предусмотрена самостоятельная работа в
9
объеме 72 ч. В соответствии с Положением о самостоятельной работе
студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», под
самостоятельной работой студентов (далее СРС) понимается «учебная,
научно-исследовательская и общественно-значимая деятельность студентов,
направленная на развитие общих и профессиональных компетенций, которая
осуществляется без непосредственного участия преподавателя, хотя и
направляется им».
Студентам предлагаются следующие формы СРС:
 изучение обязательной и дополнительной литературы;
 выполнение самостоятельных заданий на практических занятиях;
 чтение текстов научно-популярной тематики;
 поиск информации по заданной теме в сети Интернет;
 самоконтроль и взаимоконтроль выполненных заданий;
 подготовка к написанию контрольных работ, тестов, сдача экзамена.
Результаты СРС могут быть представлены в форме презентации,
доклада по теме, реферата или иного проекта.
7.2 Типы заданий для самостоятельной работы (примерные)
1. Написать сообщения по предложенным темам.
2. Проработать лекции.
3. Работа с учебной литературой.
4. Подготовить доклад по предложенным темам.
5. Подготовить презентацию.
6. Выполнение эскизов.
7.3 Темы для самостоятельной работы
Тема 1. Понятие двухфазной системы, водяной пар, его виды и основные
характеристики. Решение задач с помощью диаграмм и таблиц состояния
водяного пара. Определение степени сухости, давления и температуры.
Влажный, сухой и перегретый водяной пар.
Тема 2. Термодинамические процессы с водяным паром, энтропийные
диаграммы. Решение задач по определению теплоты, работы, изменения
энтальпии и энтропии пара в основных термодинамических процессах.
Тема 3. Схемы и циклы паросиловых установок. Расчет термодинамического
цикла простой паросиловой установки с перегревом пара и без перегрева.
Тема 4. Влажный воздух и его характеристики, энтальпийные диаграммы.
Решение задач по определению точки росы, абсолютной и относительной
влажности воздуха по формулам и диаграммам состояния.
Тема 5. Истечение жидкостей, паров и газов. Режимы истечения. Конфузоры
и диффузоры, сопло Лаваля. Решение задач по определению режимов и
скоростей истечения газов и паров через суживающиеся сопла и сопло
Лаваля. Понятие критического, докритического и закритического режима
истечения.
Тема 6. Расчет цикла паросиловой установки. Выполняется согласно
10
заданию и методическим указаниям из учебно-методического комплекса
«Термодинамика».
7.4 Формы текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам
освоения дисциплины
В качестве форм текущей аттестации используются такие формы, как
проверка домашних заданий, контрольные работы, устные опросы,
электронные (письменные) тесты, коллоквиумы.
Промежуточный контроль имеет форму контрольной работы, в
которой оценивается уровень овладения обучающимися знаниями по
предмету.
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки
успеваемости студентов в ГОУ ВПО «Тюменский государственный
университет», во время последней контрольной недели семестра
преподаватель подводит итоги работы каждого студента и объявляет
результаты студентам. Однако если студент желает улучшить свой рейтинг
по дисциплине, ему предоставляется право набрать дополнительные баллы –
пересдать контрольные и самостоятельные работы, домашние задания,
выполнить дополнительные задания и т.п.
Поскольку дисциплина преподается в течение одного семестра, для
выставления итоговой оценки на экзамене выводится средний балл по
дисциплине. В случае если средний балл составляет не менее 61, и студент
согласен с итоговой оценкой, ему выставляется оценка согласно шкале
перевода:
- от 61 до 75 баллов – «удовлетворительно»;
- от 76 до 90 баллов – «хорошо»;
- от 91 до 100 баллов – «отлично».
В случае несогласия студента с итоговой оценкой, ему предоставляется
право сдавать экзамен, и оценка выставляется непосредственно по
результатам экзамена.
Итоговый контроль (экзамен) проводится в устной форме. Устная
часть экзамена оценивает знание изученных тем и беседу с преподавателем.
8. Примерные контрольные вопросы к экзамену
1. Понятие о двухфазной системе и ее характеристиках.
2. Пограничная кривая(бинодаль). Виды паров.
3. Степень сухости пара, процессы испарения и конденсации, их
изображение на энропийно-энтальпийных диаграммах.
4. Виды термодинамических процессов, их особенности в области влажного
пара.
5. Использование энтропийных диаграмм для технических расчетов.
6. Влажный воздух и его характеристики.
7. Диаграмма Рамзина.
8. Процессы с влажным воздухом. Осушение воздуха.
9. Цикл и схема паросиловой установки.
11
10. Цикл Ренкина.
11. Истечение несжимаемой жидкости.
12. Истечение газов, режимы истечения.
13. Диффузоры и конфузоры.
14. Сопло Лаваля.
15. Истечение с учетом сопротивлений.
9. Примерные задачи для контрольной работы
Пример 1. Баллон с метаном емкостью 100 л находится под давлением 10
МПа при t = 15°С. После израсходования части метана давление понизилось
до 7 МПа, а температура упала до t = 10°С. Определить массу израсходованного газа.
Пример 2. Определить удельный объем пропана как идеального газа при
следующих условиях: температура газа t = 20°С, манометрическое
(избыточное) давление газа в баллоне 5,6 МПа. Абсолютное давление газа в
помещении равно
В = 0,099 МПа= 99,0 кПа.
Пример 3. Газ при давлении 5 ат (Р1) занимает объем, равный 60 м3 (V1).
Какой объем займет газ при 15 ат (Р2) и той же температуре?
Пример 4. Коксовый газ, образовавшийся в камере коксовой печи, охладился
с 1000 до 500С. Во сколько раз уменьшился объем коксового газа, если
давление его не изменилось?
Пример 5. Под давлением 100 кПа и при температуре 1230С находится 4,2 кг
метана. Какой объем занимает метан?
10. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных
видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Прикладная
термодинамика» предусматривается использование в учебном процессе
следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:

лекции;

практические занятия;

работа в малых группах.
1.
2.
3.
11. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература Прикладная термодинамика
Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др.; Под ред. Луканина В.Н.
Теплотехника. Учеб. для вузов. – М.: Высшая школа, 2002. – 671 с.
Исаев С.И. Термодинамика: Учеб. для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2000. – 416 с.
Бахмат Г.В. Термодинамика: Учебно-методический комплекс. – Тюмень:
Изд-во ТюмГУ, 2008.
Дополнительная литература
12
1.
1.
2.
3.
Кириллин В.А., Сычев В.В.,
термодинамика. – М.: Наука, 1979.
Шейндлин
А.Е.
Техническая
12. Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
Электронная
библиотека
Попечительского
совета
механикоматематического
факультета
Московского
государственного
университета http://lib.mexmat.ru
eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/
www.libtech.ru – электронная библиотека технической литературы
«Нефть и газ».
13. Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины (модуля)
При чтении лекций используется оборудование стандартной
мультимедийной аудитории (компьютер, экран, проектор), а также
электронный вариант учебно-методического комплекса «Прикладная
термодинамика».
13