СМ12 - 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
« ____»___________________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.