Э6 - Теплофизика - Московский государственный технический

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
_"
"_
_______2003 г.
Дисциплина
Теория теплофизических свойств веществ
(учебная программа)
Для студентов факультета "Э"
специальности - Теплофизика "Э6", 070700
Выделено на дисциплину
Выделено часов
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа, в том
числе:
а) Домашние задания
Д.З. №1
Д.З. №2
б) Самостоятельная проработка
курса
Зачет по курсу
Экзамены
ВСЕГО
107 час.
77 час.
47час.
30 час.
30 час.
Х семестр
68 час.
51 час.
34 час.
17 час.
17 час.
ХI семестр
39 час.
26 час.
13 час.
13 час.
13 час.
15 час.
10 час.
10 час., 13 нед.
5 час.
15 час.
Факультет
Энергомашиностроение
Кафедра Э-6
Теплофизика
7 час.
5 час., 11 нед.
8 час.
Зачет
-
Зачет
-
ПРОГРАММА
курса "ТЕОРИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ"
для специальности "Теплофизика" Э6
Основные цели и задачи дисциплины - освоение студентами основ
методов расчетов теплофизических свойств газов, плазмы и жидкостей на базе
кинетической
теории,
информации
о
современном
состоянии
научных
исследований в данной области, развитие у студентов практических навыков
расчетов переносных и других теплофизических свойств газов и плазмы и
приобретение практического опыта работы со справочной литературой.
Поскольку
свойства
веществ
чрезвычайно
многообразны
и
не
существует единой теории для их описания, основное внимание в курсе
уделено кинетической теории процессов переноса массы, импульса и энергии в
газах и плазме. Методика курса строится на последовательном переходе от
акта столкновения двух молекул к макроскопическим теплофизическим
свойствам, определяемым столкновениями многих частиц - теплопроводности,
вязкости, коэффициентам диффузии и проводимости. В курсе приближенные
подходы к описанию свойств газов, плазмы и жидкостей сочетаются с анализом
принимаемых
допущений
и
кинетической
теории
основе
на
упрощений,
а
уравнения
также
с
основами
Больцмана
для
строгой
функции
распределения.
При освоении курса должны уметь использовать материалы курсов по
молекулярной физике, термодинамике и программные средства для работы на
персональных компьютерах.
Цель лабораторного практикума заключается в развитии у студентов
навыков самостоятельного расчета и анализа теплофизических свойств газов и
плазмы
с
использованием
справочной
литературы
и
компьютеров в широком диапазоне определяющих параметров.
персональных
ЛЕКЦИИ
47час.
ВВЕДЕНИЕ:
1 час.
Многообразие веществ в природе и материалов в технике. Формы
состояния вещества: твердые тела, жидкости, газы, плазма. Межмолекулярные
силы
и
их
составляющие
(электростатическая,
индуцированная,
дисперсионная). Плотность веществ. Диаграммы состояния вещества в
переменных давление (плотность)- температура.
Кинетический подход к описанию неравновесных свойств разреженного
газа:
2 час.
Краткий исторический обзор возникновения и развития кинетической
теории газов. Основные понятия и положения кинетической теории. Частота
столкновений. Средняя длина свободного пробега.
Элементарная теория процессов молекулярного переноса:
2час.
Потоки молекулярных величин и коэффициенты переноса. Закон
Ньютона для тензора напряжений. Коэффициент вязкости. Закон Фурье для
теплового потока. Коэффициент молекулярной теплопроводности. Закон Фика
для молекулярной диффузии. Коэффициент диффузии. Числа Прандтля и
Шмидта.
Функция распределения молекул по скоростям:
3час.
Физическое пространство и пространство скоростей. Определение
функции распределения по скоростям. Средние значения: плотность числа
частиц,
гидродинамическая
скорость.
Собственная
скорость
молекулы.
Внутренняя энергия газа и температура. Векторы потоков. Перенос массы.
Перенос импульса. Тензор напряжений. Нормальные и сдвиговые напряжения.
Давление. Уравнение состояния идеального газа. Перенос кинетической
энергии. Газовые смеси. Диффузионные потоки.
Межмолекулярное взаимодействие:
2 час.
Столкновения молекул и модельные потенциалы. Твердые сферы.
Точечный центр отталкивания ("мягкие" и "жесткие" молекулы). Потенциал
Леннард-Джонса. Задача динамики парных столкновений. Угол и сечение
рассеяния.
Уравнение Больцмана:
Основные
5 час.
допущения.
Вывод
уравнения
Больцмана.
Понятие
о
молекулярном хаосе. Интеграл столкновений. Макроскопические законы
сохранения: уравнение неразрывности, уравнение движения и уравнение
сохранения
энергии
газа.
Н-теорема
Больцмана.
Максвелловская
(равновесная) функция распределения по скоростям. Средняя тепловая
скорость и среднеквадратичная скорости молекул. Вычисление потока атомов
на поверхность.
Методы решения уравнения Больцмана:
5 час.
Схема метода Чепмена - Энскога. Приближение первого порядка.
Линейное уравнение для функции возмущения. Структура решения для
приближения первого порядка. 13-моментный метод Грэда. О методе прямого
статистического моделирования (метод Монте-Карло).
Свойства молекулярного переноса многокомпонентных смесей газов:
6час.
Теплофизические свойства многокомпонентных газовых смесей. Тезор
вязких напряжений. Коэффициент вязкости. Тепловой поток. Коэффициент
теплопроводности. Многокомпонентная диффузия. Коэффициенты диффузии и
термодиффузии. Соотношения Стефана - Максвелла для диффузионных
потоков. Пример: бинарная смесь атомов и молекул.
Свойства переноса ионизованных газов:
11 час.
Пространственные масштабы в плазме. Экранирование зарядов в
плазме. Дебаевский радиус. Циклотронный радиус. Идеальная плазма.
Уравнение Больцмана для ионизованного газа в магнитном поле. Уравнение
баланса
энергии
электронов
в
неравновесной
плазме.
Коэффициенты
переноса полностью ионизованной (бинарной) плазмы. Анизотропия свойств
переноса в магнитном поле. Дрейф и диффузия электронов. Закон Ома.
Соотношение Эйнштейна. Проводимость и ток Холла. Слабоионизованная
плазма. Газ Лоренца. Закон Видемана - Франца. Амбиполярная диффузия
электронов.
Переносные
свойства
равновесной
плазмы
(вязкость,
теплопроводность, электропроводность).
Явления и свойства переноса в плотных газах и жидкостях:
10 час.
Простейшая теория уравнения состояния плотных газов и жидкостей.
Эмпирические уравнения состояния для жидкостей. Основные положения
теории Энскога. Видоизменение уравнения Больцмана для плотных газов.
Векторы потоков. Тензор напряжений. Коэффициент сдвиговой вязкости.
Объемная
вязкость.
Тепловой
поток.
Коэффициент
теплопроводности.
Распространение и скорость звука в жидкостях. Поглощение звука.
СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ (Х семестр)
17 час.
1. Теплофизические параметры равновесного газа
4 час.
2. Коэффициенты переноса в газе твердых сфер
3 час.
3. Метод Чепмена - Энскога решения уравнения Больцмана
6 час.
4. Соотношения Стефана - Максвелла для диффузионных потоков и
коэффициенты диффузии многокомпонентных газовых смесей
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (IX семестр)
4 час.
13 час.
1. Изучение процессов переноса в газах
2. Изучение дрейфа, энергии и диффузии заряженных частиц в постоянном
поле
3. Изучение амбиполярной диффузии
4. Изучение теплопроводности и проводимости равновесной плазмы
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ВНЕАУДИТОРНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ
47 час.
Х семестр
17 час.
1. Работа с учебниками, проработка лекционного материала
7 час.
2. Подготовка и выполнение домашнего задания
10 часов,
"Расчет равновесного состава газа" выдать 8 неделя, сдать 13 неделя
ХI семестр
13 час.
1. Работа с учебниками, проработка лекционного материала
8 час.
2. Подготовка и выполнение домашнего задания
5 часов,
"Расчет транспортных свойств бинарных смесей газов" выдать 8 неделя,
сдать 11 неделя.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература
1. Шидловский В.П. Введение в динамику разреженного газа. - М.: Наука, 1965.
218 с.
2. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. - М.: Наука, 1967. 440 с.
3. Силин В.П. Введение в кинетическую теорию плазмы. - М.: Наука, 1967. 440
с.
Дополнительная литература
1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и
жидкостей. - М.: Наука, 1972. 720 с.
2. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч. и Берд Р. Молекулярная теория газов и
жидкостей. - М.: Изд-во Иностранной Литературы. 1961. 933 с.
3. Ферцигер Дж., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в
газах. - М.: Мир. 1976. 554 с.
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука. 1987. 592 с.
Программа составлена
к.ф.-м.н. каф. Э-6
Колесников А.Ф.
"_____" _________г.
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры "Теплофизика" Э6
Зав. кафедрой Э6
Д.т.н., проф.
Хвесюк В.И.
"_____" _________г.
Программа обсуждена и одобрена методической комиссией ф-та "Э"
Председатель методической комиссии
Д.т.н., проф.
Руководитель
НУК "Э" (декан)
Начальник методического
Отдела
Пластинин П.И.
"_____" _________г.
Суровцев И.Г.
"_____" _________г.
Васильев Н.В.
"_____" _________г.