СМ1 - Теплофизика - МГТУ им. Н. Э. Баумана

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
«_____» __________ г.
Дисциплина
Термодинамика и теплопередача
(учебная программа)
Для студентов факультета «СМ»
специальности - 130700 "Космические летательные аппараты и разгонные блоки"
(СМ1)
Выделено на дисциплину
Выделено часов
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Курсовой проект
Самостоятельная проработка курса,
подготовка к контрольным мероприятиям
Выполнение домашних заданий
ДЗ № 1
ДЗ № 2
Виды отчетности по дисциплине
Зачеты по курсовому проекту
Зачет по курсу
Экзамены
Кафедра, ведущая занятия
ВСЕГО
102 час.
68 час.
34 час.
17 час.
17 час.
34 час.
-
V семестр
102 час.
68 час.
34 час.
17 час.
17 час.
34 час.
-
12 час.
22 час.
9 час.
10 нед.
13 час.
14 нед.
12 час.
22 час.
9 час.
10 нед.
13 час.
14 нед.
Зачет
Зачет
Э6
Э6
Факультет
Энергомашиностроение
Кафедра Э-6
"Теплофизика"
2
Раздел 1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина входит в цикл "Научно–теоретическая подготовка".
Основные цели и задачи дисциплины - освоение студентами фундаментальных
и технических приложений закона сохранения энергии в термодинамической
формулировке, сведений о современном состоянии научных исследований в данной
области и наиболее актуальных для практики нерешенных проблемах; привитие
студентам практических навыков решения типичных задач, в том числе - с
использованием средств компьютерной алгебры; привитие студентам практических
навыков исследования термодинамических процессов.
Термодинамика является всеобщей наукой и
охватывают все сферы
человеческой деятельности, поэтому в задачи курса входит ознакомление студентов
с наиболее типичными приложениями термодинамики в различных отраслях техники
и в природе.
Термодинамика является основой функционирования тепловых двигателей,
теоретической основой для построения моделей процессов теплопереноса. Методы
термодинамики рассматриваются как в общем виде, так и на конкретных примерах,
представляющих собой наиболее распространенные задачи, встречающиеся в
технике.
Профессиональные навыки, умения, приобретаемые в результате изучения
дисциплины
Навыки и умения
Студент должен уметь:

Сформулировать цель рассматриваемой проблемы, связанной с расчетом и
проектированием энергетических установок различного назначения.

Вести анализ и разработку структурных, функциональных и конструктивных
схем систем и оборудования летательных аппаратов.

Выполнять расчеты термодинамических и тепломассообменных процессов в
энергетических и тепломассообменных устройствах.
3
Знания
Студент должен знать:

Фундаментальные
законы
превращения
энергии
в
различных
термодинамических процессах, I, II, III начала термодинамики.

Характеристические и дифференциальные уравнения термодинамики. Рабочие
тела энергетических машин и термодинамические процессы в них.

Термодинамическое
равновесие
неоднородных
систем
и
фазовые
превращения веществ.

Термодинамику
и
кинетику
химических
реакций,
условия
химического
равновесия, химическое сродство компонентов.

Теплофизические характеристики сред.

Характеристики, параметры и функции состояния.

Характеристики термодинамических процессов.

Методики
расчета
газовых
смесей,
теплоемкостей,
термодинамических
процессов, циклов, параметров и функций состояния, расчета состава
химически
реагирующих
смесей,
газодинамических
и
геометрических
параметров сопел.

Приборы для измерения теплофизических характеристик твердых и текучих
сред.

Приборы для измерения температуры, давления, скорости, расхода и
плотности теплового потока.
Основные исходные, профессиональные и интеллектуальны навыки,
умения, знания, необходимые для изучения дисциплины
При
освоении
математического
курса
анализа,
студенты
должны
аналитической
уметь
геометрии,
использовать
методы
аппарат
решения
задач
механики твердого тела, жидкости и газа, программные среды компьютерной
алгебры, навыки работы с графическими материалами.
Лабораторный практикум предусматривает исследование термодинамических
процессов на лабораторной базе кафедры Э6.
4
В учебном процессе применяются активные формы обучения, включающие
семинарские и лабораторные занятия, выполнение расчетных домашних заданий,
самостоятельную работу студентов под руководством преподавателя, консультации.
Текущий
контроль
качества
усвоения
материала
осуществляется
путем
индивидуального собеседования по результатам выполнения лабораторных работ,
при приеме домашних заданий, при выполнения самостоятельной работы под
руководством преподавателя.
Раздел 2. Содержание дисциплины – 34 час.
Лекция 1: Место термодинамики в системе естественных и технических наук.
Основные понятия и определения. Предмет и метод термодинамики, границы ее
применимости. Понятие о термодинамической системе, контрольной поверхности и
окружающей
среде.
Координаты
состояния
и
потенциалы
взаимодействия,
количество воздействия.
Лекция 2: Классификация термодинамических систем – изолированная,
закрытая,
открытая,
гомогенная,
гетерогенная.
Понятие
о
равновесности
и
обратимости. Равновесные процессы. I закон термодинамики.
Лекция 3: Калорическое и термическое уравнения состояния. Идеальный газ.
Уравнения Клапейрона и Менделеева–Клапейрона. Теплоемкость как свойство
вещества и процесса.
Лекция 4: Общий вид математической модели процесса. Изопроцессы
изменения
состояния
идеального
газа:
изохорный,
изобарный,
изотермный,
адиабатный (изоэнтропный), политропный.
Лекция 5: Понятие о замкнутом процессе (цикле). Показатели эффективности
прямых и обратных циклов. II закон термодинамики. Цикл Карно. Необратимость и
неравновесность самопроизвольно протекающих процессов. Возрастание энтропии в
изолированной системе. Неравенство Клаузиуса.
Лекция 6: Энтропия и вероятность. Характеристические термодинамические
функции (потенциалы): энтальпия, свободная энергия, свободная энтальпия.
Термодинамическое равновесие.
5
Лекция 7: Равновесие в гомогенной системе. Равновесие в гетерогенной
системе. Правило фаз Гиббса–Коновалова. Фазовые переходы I рода. Уравнение
Клапейрона–Клаузиуса. Теплота фазового превращения. Диаграммы равновесия.
Фазовые переходы II рода.
Лекция
8:
Химическое
равновесие.
Парциальное
молярное
свойство.
Уравнение Гиббса–Дюгема. Закон Гесса. Закон действующих масс. Константы
равновесия Kc, Kp, Kr и связь между ними.
Лекция 9: Принцип ЛеШателье–Брауна. Химическое сродство. Изотерма
реакции. Уравнение Гиббса–Гельмгольца.
Лекция 10: Зависимость констант равновесия от температуры. Изохора и
изобара реакции. Определение констант равновесия. Расчетные соотношения для
констант равновесия по Нернсту. Расчеты с помощью таблиц стандартных величин и
таблиц полных энтальпий и энтропий.
Лекция
11:
Математическое
моделирование
равновесных
состояний
многокомпонентных ТД –систем. Равновесное состояние систем.
Лекция 12: Расчет равновесного состояния многокомпонентных систем.
Определение свойств равновесных многокомпонентных систем.
Лекция 13: Термодинамика потоков. Установившееся одномерное течение
газа. Течение газа в соплах. Закон обращения воздействий.
Лекция 14: Анализ различных видов воздействий на газовые потоки.
Лекция 15: Необратимость рабочих процессов в летательных аппаратах.
Взаимодействие окружающей среды с элементами летательных аппаратов. Модели
процессов переноса.
Лекция 16: Элементы линейной неравновесной термодинамики.
Лекция 17: Итоги курса: ТД – потенциалы, анализ переменных V,P,T,S.
СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ
17 час.
1. Параметры состояния
2 час.
2. Изопроцессы в идеальных газах
2 час.
3. Термодинамические циклы
2 час.
4. Газовые смеси и теплоемкости
2 час.
6
5. Термохимия и химическое равновесие
9 час.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
17 час.
1. Исследование потерь в реальном тепловом двигателе
2. Определение изобарной теплоемкости воздуха
3. Адиабатное истечение воздуха через сужающееся сопло
4. Определение тепловых эффектов реакций горения органических веществ
5. Исследование термодинамических процессов во влажном воздухе
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ВНЕАУДИТОРНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ - 34 часа
1. Работа с учебниками проработка лекционного материала
12 час.
2. Подготовка и выполнение домашних заданий
22 час.
1
Расчет параметров смеси идеальных газов
2
Расчет
равновесного
состава
химически
9 час.
10 нед.
13 час.
14 нед.
реагирующей газовой смеси
6. Подготовка к контрольным работам, коллоквиумам, к зачету и экзамену.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература
1. Техническая термодинамика. Учебник для вузов (под ред. В.И.Крутова) 3-ое
изд. М.: Высшая школа, 1991.
2. Задачник по технической термодинамике и теория теплообмена. учебное
пособие для машиностроительных вузов (под ред. В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого)
М.: Высшая школа. 1986.
3. Лабораторный практикум по термодинамике и теории теплообмена. Учебное
пособие для вузов (под ред. В.И.Крутова и Е.В.Шишова) М.: Высшая школа, 1988.
7
4. Исаев С.И. "Курс химической термодинамики" 3-е изд. М.: МГТУ им.
Н.Э.Баумана, 2000.
5. Исаев С.И. "Термодинамика" учебник для вузов изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана,
2001.
Дополнительная литература
1. Базаров И.П. Термодинамика. Учебник для вузов М.Высшая школа, 1983.
2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е., Техническая термодинамика.
Учебник для вузов 4-ое изд. М.: Энергоатомиздат, 1983.
3. Теплотехника. Учебник для ВУЗов под редакцией В.И. Крутова. М.:
Машиностроение. 1986.
8
Программа составлена на основании рекомендаций главного управления
образовательно-профессиональных программ и технологий Госкомвуза России от 22
апреля 1995 года.
Программа составлена
д.т.н., проф. каф. Э-6
Диев М.Д.
«______»__________г.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры Э-6 "Теплофизика"
Заведующий кафедрой Э–6
д.т.н., профессор
Хвесюк В.И.
«______»__________г.
Программа рассмотрена и одобрена методической комиссией факультета "Э"
Председатель методической комиссии
д.т.н, профессор
Пластинин П.И.
«______»__________г.
Руководитель НУК "Э"
Суровцев И.Г.
«______»__________г.
Согласовано:
Зав.каф.СМ1
д.т.н., профессор
Соломонов Ю.С.
«______»__________г.
Начальник методического
отдела
Васильев Н.В.
«______»__________г.