Министерство образования Российской Федерации Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана «УТВЕРЖДАЮ» первый проректор-проректор по учебной работе МГТУ им. Н.Э.Баумана _________________________Е.Г. Юдин « ____»___________________2002 г. Термодинамика и теплопередача (учебная программа) Факультет "СМ" Кафедра “Технологии ракетно-космического машиностроения” (СМ-12) 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 6 сем 85 85 68 68 34 34 17 17 17 17 17 17 11 11 5 (7-10 нед.) 5 (7-10 нед.) 6 (10-14 нед). 6 (10-14 нед). 6 6 Экзамен Э-6 Факультет «Энергомашиностроение» Кафедра Э-6 «Теплофизика» Экзамен Э-6 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Указания к изучению дисциплины. Курс "Термодинамика и теплопередача" является фундаментальной дисциплиной. Его предметом является изучение основополагающих законов природы о превращениях энергии в различных процессах, а также изучение способов повышения эффективности работы машин и аппаратов, в которых протекают эти процессы. Вопросы, рассматриваемые в курсе, являются основой для расчета и проектирования машин и установок различного назначения. В результате изучения курса термодинамики студенты должны получать знания и навыки, необходимые для выполнения расчета термодинамических процессов, а также процессов теплообмена с использованием современной вычислительной техники. Эти знания необходимы и для полследующего изучения профилирующих дисциплин. Для достижения этой цели студенты должны знать: - Основные принципы оценки эффективности работ машин и установок, базирующихся на фундаментальных законах термодинамики. - Принцип 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 работ проектируемых машин и аппаратов. Для усвоения курса студентами необходимы знания, полученные при изучении математики, физики, теоретической механики, гидроаэродинамики, химии, алгоритмических языков и программирования. 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 под контролем преподавателя. Текущий контроль освоения материала осуществляется путем индивидуального собеседования преподавателя со студентом, перед проведением лабораторных работ и при приеме домашних заданий, а также путем проведения контрольных работ по основным разделам курса. Изучение расчетных методов завершается разработкой программ для ЭВМ. Выполнение домашних заданий является важнейшим этапом обучения студентов и имеет своей целью закрепление теоретических знаний и практических сведений при решении контрольных технических задач, а также развития навыков самостоятельной работы с технической литературой. Объем курса "Термодинамика и теплопередача" для кафедры СМ-12 составляет – 102 часа. Часть I – Термодинамика, часть II – Теория теплообмена. Содержание дисциплины Аудиторная работа - 68 часов. 1. Лекции – 34 часа. Термодинамика – 19 часов. 1. Введение – 1 час. Определение термодинамики как научной дисциплины. Роль русских и зарубежных ученых в создании термодинамики. Термодинамический метод изучения макроскопических систем. Статистический метод изложения термодинамики. Общая (физическая), техническая и химическая термодинамика. Значение фундаментальных исследований в области термодинамики для развития энергомашиностроения. 2. Основные понятия и определения – 2 часа. Термодинамическая система, окружающая среда и взаимодействие между ними. Основные термодинамические параметры состояния системы. Единицы измерения. Идеальный и реальный газ. Уравнения состояния. Понятие о равновесных и неравновесных процессах. 3. Внутренняя энергия, работа и теплота – 4 часа. Внутренняя энергия термодинамической системы. Независимость изменения внутренней энергии от характера процесса. Дифференциал внутренней энергии. Внутренняя энергия газов. Работа расширения (сжатия) газа. Зависимость работы от характера процесса. Количество теплоты. Представление о теплоте и работе (механического и немеханического характера) как формах объема энергией. Понятие о химической энергии. Потенциал и координаты термодинамических взаимодействий. 4. Аналитическое выражение первого закона термодинамики для закрытых и открытых термодинамических систем – 3 часа. Понятие об энтальпии и располагаемой работе. Энтальпия смеси газов. Основные термодинамические процессы идеальных газов: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный. Изображение процессов в координатах объем-давление. Формулы соотношения параметров. Формулы для вычисления теплоемкости, I. изменения внутренней энергии и энтальпии, количества работы и количества теплоты в процессах изменения физического состояния газа. 5. Второй закон термодинамики – 6 часов. Возможное направление протекания самопроизвольных термодинамических процессов в изолированной системе. Различные формулировки второго закона термодинамики. Материалистическое толкование второго закона термодинамики. Понятие об обратимых и необратимых процессах в условиях их протекания. Основные свойства обратимых процессов. Понятие об энтропии. Физический смысл и свойства энтропии. Энтропия и вероятность состояния термодинамической системы. Математическое выражение второго закона термодинамики через энтропию. Неравенство Клаузиуса. Принцип максимума энтропии. Формулы для вычисления изменения энтропии в процессах изменения физического состояния газа. Энтропия смеси газов. Расположение термодинамических процессов в системе координат энтропия – температура. Диаграмма энтропия – температура и ее применение для исследования термодинамических процессов. 6. Характеристические функции: свободная энергия, изобарный термодинамический потенциал. Условия термодинамического равновесия – 3 часа. Термодинамический анализ прямых и обратных циклов. Термический КПД и холодильный коэффициент цикла. Термодинамические аспекты рационального использования энергетических ресурсов окружающей среды и защита среды от вредного воздействия теплоэнергетических установок. Компрессор. Назначение и схема устройства. Идеальный поршневой одноступенчатый и двухступенчатый компрессор. Повышение экономичности и надежности работы энергосиловых установок. Теория теплообмена – 15 часов. 1. Краткие сведения из истории развития учения о теплообмене. Содержание теории теплообмена и ее задачи. Значение теории теплообмена для развития отраслей новой техники – 1 час. Основные понятия и определения. Виды процессов переноса тепла и их механизм: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен. 2. Аналитическая теория теплопроводности – 4 часа. Температурное поле. Векторные поля температурного градиента и плотности теплового потока. Линии теплового тока. Закон теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности. Уравнение теплопроводности. Начальные, граничные, физические и геометрические условия. Коэффициент температуропроводности. Решение задач нестационарной теплопроводности аналитическими методами. Частные II. случаи малых и больших значений критерия Био. Теплопроводность тел ограниченной протяженности (параллелепипедов и цилиндров). Разностные методы решения задач с помощью ЭВМ. Особенности расчета многомерных температурных полей. 3. Конвективный теплообмен – 2 часа. Основные факторы, влияющие на интенсивность переноса тепла путем конвекции. Теплоотдача. Математическое описание процесса теплоотдачи. Система дифференциальных уравнений движения неразрывности и энергии. Условия однозначности. Аналитические, численные и экспериментальные методы исследования процессов теплоотдачи. 4. Основные сведения из теории подобия и размерности – 3 часа. Необходимые и достаточные условия подобия явлений теплообмена. Вывод критериев подобия. Физический смысл критериев подобия. Критериальные уравнения подобия для расчета теплоотдачи. Общий принцип теории размерности, определяющий число безразмерных комплексов. Методы обработки и обобщения результатов опыта. Основные критериальные зависимости для расчета теплоотдачи в трубах и каналах при ламинарном, переходном и турбулентном течении. Теплоотдача при внешнем обтекании тел различной формы. Основы расчета теплообменных аппаратов. 5. Приложение теории пограничного слоя к явлениям теплоотдачи – 3 часа. Уравнения пограничного слоя. Задача об охлаждении пластины. Аналогия между процессами теплообмена и трения. Расчет теплообмена при больших скоростях и температура газового потока при обтекании тел простейшей формы при ламинарном и турбулентном режимах течения в пограничном слое. Температура адиабатной поверхности. Коэффициент восстановления температуры. Влияние на теплообмен сжимаемости и изменения физических свойств среды. Теплоотдача при кипении и конденсации. 6. Лучистый теплообмен – 2 часа. Основные понятия и определения. Плотность потока излучения. Спектральная плотность потока излучения. Законы теплового излучения. Понятие о сером теле. Лучистый теплообмен между твердыми телами. Формула для расчета лучистого теплообмена. Особенности излучения газов. Лучистый теплообмен между газом и оболочкой. 2. Семинары – 17 часов. 1. Основные понятия. Параметры состояния газа. Давление. Температура. Удельный объем. Нормальные условия. Свойства идеальных газов. Рабочие координаты. Вычисление газовой постоянной – 1 час. 2. Газовые смеси. Смеси идеальных газов. Массовые, объемные и мольные доли компонентов газовой смеси. Кажущаяся молекулярная масса смеси. Газовая постоянная смеси. Плотность компонентов газовой смеси – 2 часа. 3. Вычисление теплоемкости идеальных газов. Энергия, теплота и работа. Средняя и истинная теплоемкость. Теплоемкости газов в процессах при постоянном объеме и давлении. Уравнение Майера. Теплоемкость смеси газов – 2 часа. 4. Энтальпия. Функции состояния и функции процесса. Вычисление изменения внутренней энергии и энтальпии идеального газа. Основные процессы идеального газа – 2 часа. 5. Циклы. Прямой и обратный циклы Карно. Приведенная теплота. Энтропия. S-T диаграмма. Обобщенный (регенеративный) цикл Карно. Политропный процесс – 2 часа. 6. Определение критических скорости и расхода газа. Расширяющееся сопло (сопло Лаваля). Действительные скорость истечения и секундный расход – 1 час. 7. Коэффициенты теплопроводности и температуропроводности. Распределение теплоты в однослойной и многослойной стенках. Граничные условия. Теплообмен соприкосновением. Термическое сопротивление теплового контакта – 2 часа 8. Конвективный теплообмен. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости. Критерии подобия. Параметры адиабатически заторможенного газа – 2 часа. 9. Теплообмен излучением. Лучистый теплообмен между двумя телами, между газом и поверхностью твердого тела. Коэффициент теплопередачи. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенку – 2 часа. 10. Теплоотдача при кипении жидкости и конденсации пара – 1 час. 3. Лабораторные работы – 17 часов. № Наименование 1 Исследование процесса адиабатного воздуха через суживающееся сопло Исследование термодинамических процессов во 3 влажном воздухе Теплоотдача горизонтального цилиндра при 3 естественной конвекции Теплоотдача при вынужденном движении воздуха в 4 2 3 4 Кол-во часов истечения 3 ТД-05 ТД-07 ТП-03 ТП–05 5 трубе Исследование работы теплообменного аппарата 4 ТП–14 Внеаудиторная работа – 17 часов. Домашние задания – 11 часов. № 1 2 Наименование Кол-во часов “Газовый цикл”. Выдать – 7 неделя, сдать – 10 неделя. 5 “Теплопроводность в многослойной стенке”. Выдать – 10 6 неделя, сдать – 14 неделя. Самостоятельная проработка материала – 6 часов. 1. Газовые смеси. Смеси идеальных газов. Массовые, объемные и мольные доли компонентов газовой смеси. Формулы, выражающие соотношения между массовыми и объемными долями. Кажущаяся молекулярная масса смеси. Газовая постоянная смеси. Плотность компонентов газовой смеси. 2. Теплоемкость газа. Средняя и истинная теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Изобарная и изохорная теплоемкости. Массовая, объемная и мольная теплоемкости и соотношения между ними. Таблицы теплоемкостей. Уравнение Майера. Теплоемкость смеси газов. 3. Задачи стационарной теплопроводимости с граничными условиями первого и третьего рода для слоистых тел простейшей формы. Коэффициент теплопередачи. Критическая толщина тепловой изоляции цилиндрической стенки. Влияние внутренних источников (стоков) тепла. Термическое сопротивление теплового контакта. При изучении термодинамики используются таблицы и диаграммы S-h и S-T. Программу составил к.т.н., доцент каф. Э-6 Зав. кафедрой Э-6 д.т.н., проф. каф. Э-6 Рыжков С.В. «______»__________г. Хвесюк В.И. «______»__________г. Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры СМ-12 Зав. кафедрой СМ-12 д.т.н., проф. Тарасов В.А. «______»__________г. Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ф-та «Э» Председатель методической комиссии д.т.н., проф. Руководитель НУК «Э» (декан) к.т.н., доцент Начальник методического отдела МГТУ к.т.н., доцент Пластинин П.И. «______»__________г. Суровцев И.Г. «______»__________г. Васильев Н.В. «______»__________г.