Введение в термодинамику газоплазменного состояния

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Московский физико-технический институт (государственный университет)»

МФТИ(ГУ)

Кафедра «Физика и химия наноструктур»

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по учебной работе

2012 г.

.

Рабочая УЧЕБНАЯ Программа

по дисциплине: Введение в термодинамику газоплазменного состояния

по направлению: 010900 Прикладные математика и физика

профиль подготовки: Физика высоких плотностей энергии

факультеты: ФПФЭ

кафедра Физика высоких плотностей энергии

курс: 4 (бакалавриат)

семестры: осенний и весенний диф. зачет 8 семестр

Трудоёмкость в зач. ед.: вариативная часть – 3 зач. ед.;

в т. ч.:

лекции: вариативная часть – 32 час.,

практические (семинарские) занятия: 16

лабораторные занятия: нет

мастер классы, индивид. и групповые консультации: нет

самостоятельная работа: вариативная часть – 24 час.

курсовые работы: нет

подготовка к экзамену: вариативная часть – 1 зач. ед.

ВСЕГО Аудиторных часов 48

Программу составил доцент, д. ф.-м. н.,

Программа обсуждена на заседании кафедры Физика высоких плотностей энергии

«____» _______________2012 г.

Заведующий кафедрой д. ф.-м. н., чл.-коррр РАН, проф.

ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.

Вариативная часть, в т. ч. :	__4___ зач. ед.
Лекции	__32___ часов
Практические занятия	__ 16___ часов
Лабораторные работы	__ нет ___ часов
Индивидуальные занятия с преподавателем	__нет___ часов
Самостоятельные занятия	__24__ часов
Итоговая аттестация	Диф. зачет 8 семестр,
ВСЕГО	4 зач. ед. 100 час

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Цель курса – Целью курса является изучение физических основ термодинамики газоплазменного состояния и особенностей проявления эффектов кулоновского взаимодействия

Задачами данного курса являются:

·  освоение студентами базовых знаний в области термодинамики неидеальных систем;

·  приобретение теоретических знаний в области изучения свойств термодинамики газоплазменного состояния;

·  оказание консультаций и помощи студентам в проведении ими собственных исследований в рамках НИР в аспектах, связанных с термодинамикой плазмы;

Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина _ Введение в термодинамику газоплазменного состояния _ включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к вариативным части цикла _Б.3_ кода УЦ ООП.

Дисциплина Введение в термодинамику газоплазменного состояния базируется на циклах Б.2 курса 1,2,3 базовой и вариативных частях.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Освоение дисциплины Введение в термодинамику газоплазменного состояния направлено на формирование следующих общекультурных и общепрофессиональных интегральных компетенций бакалавра:

а) общекультурные (ОК):

-  способность анализировать научные проблемы и физические процессы, использовать на практике фундаментальные знания, полученные в области естественных и гуманитарных наук (ОК-1);

-  способность осваивать новые проблематику, терминологию, методологию и овладевать научными знаниями, владеть навыками самостоятельного обучения (ОК-2);

-  способность логически точно, аргументировано и ясно формулировать свою точку зрения, владеть навыками научной и общекультурной дискуссией (ОК-3);

-  готовность к творческому взаимодействию с коллегами по работе и научным коллективом, способность и умение выстраивать межличностное взаимодействие, соблюдая уважение к товарищам и проявляя терпимость к иным точкам зрения (ОК-4);

б) профессиональные (ПК):

-  способность применять в своей профессиональной деятельности знания, полученные в области физических и математических дисциплин, включая дисциплины: общая физика, теоретическая физика, термодинамика, квантовая механика, статистическая физика, высшая математика (ПК-1);

-  способность применять различные методы физических исследований в избранной предметной области:, статистические методы описания свойств плазмы, вычислительные методы, методы математического и компьютерного моделирования объектов и процессов (ПК-2);

-  способность понимать сущность задач, поставленных в ходе профессиональной деятельности, использовать соответствующий физико-математический аппарат для их описания и решения (ПК-3);

-  способность использовать знания в области физических и математических дисциплин для дальнейшего освоения дисциплин в соответствии с профилем подготовки (ПК-4);

-  способность работать с современным программным обеспечением, приборами и установками в избранной области (ПК-5);

-  способность представлять результаты собственной деятельности с использованием современных средств, ориентируясь на потребности аудитории, в том числе в форме отчетов, презентаций, докладов (ПК-6);

-  готовность работать с исследовательским оборудованием, приборами и установками в избранной предметной области (ПК-7);

конкретные Знания, умения и навыки, формируемые в результате освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины «Введение в термодинамику газоплазменного состояния» обучающийся должен:

1.  Знать:

-  фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики плазмы и химической термодинамики;

-  порядки численных величин, характерные для различных разделов термодинамики плазмы и реагирующих систем;

-  расширить понимание современных проблем физики, химии, математики;

-  понимать формы проявления квантовых эффектов в термодинамики плазмы;

2.  Уметь:

-  абстрагироваться от несущественного при моделировании реальных физических ситуаций в проблемах энергетики и физики высоких плотностей энергии;

-  пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных и прикладных задач в области физики высоких плотностей энергии;

-  делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента;

-  производить численные оценки по порядку величины;

-  делать качественные выводы при переходе к предельным условиям в изучаемых проблемах;

-  видеть в прикладных задачах энергетики их главное физическое содержание;

-  осваивать новые предметные области, теоретические подходы и вычислительные методики в термодинамике реагирующих кулоновских систем и вещества в экстремальных состояниях;

-  эффективно использовать информационные технологии и компьютерную технику для достижения необходимых теоретических и прикладных результатов.

3.  Владеть:

-  навыками освоения большого объема информации;

-  навыками самостоятельной работы в лаборатории и Интернете;

-  культурой постановки и моделирования задач в физике высоких плотностей энергии;

-  навыками грамотного сопоставления предсказаний теории c опытными данными;

-  практикой исследования и решения теоретических и прикладных задач в физике высоких плотностей энергии;

Структура и содержание дисциплины

Структура дисциплины «Введение в термодинамику газоплазменного состояния»

Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам

№ темы и название	Количество часов
1. Основные понятия термодинамики вещества с высокой концентрацией энергии	16
2. Неидеальная плазма в земных и космических приложениях.	12
3. Общие сведения о фазовой диаграмме вещества с высокой концентрацией энергии.	10
4. Связь термодинамики с приближением сплошной среды.	8
5. Общие сведения о механизмах неидеальности и их влиянии на термодинамику вещества с высокой концентрацией энергии	12
6. Особенности кулоновской неидеальности в плотной плазме.	14
ВСЕГО (зач. ед.(часов))	72 (3 зач. ед.)

Вид занятий

ЛЕКЦИИ:

№ п. п.	Темы	Трудоёмкость в зач. ед. (количество часов)
1	Основные понятия термодинамики вещества с высокой концентрацией энергии	8
2	Неидеальная плазма в земных и космических приложениях.	6
3	Общие сведения о фазовой диаграмме вещества с высокой концентрацией энергии.	6
4	Связь термодинамики с приближением сплошной среды.	4
5	Общие сведения о механизмах неидеальности и их влиянии на термодинамику вещества с высокой концентрацией энергии	4
6	Особенности кулоновской неидеальности в плотной плазме.	8
ВСЕГО ( зач. ед.(часов))	32 час (2 зач. ед.)

ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ – нет

ВИДЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

№N п. п.	Темы	Трудоёмкость в зач. ед. (количество часов)
1	- изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из лекций, результаты контролируются преподавателем на лекционных занятиях. Используются электронный конспект лекций, методические пособия, учебники и монографии, рекомендуемые данной программой.	6.
2	- решение задач и поиск ответа на теоретические вопросы по заданию преподавателя – решаются задачи, заданные преподавателем по итогам лекционных занятий совместно всеми студентами.	6.
3	- обсуждение со студентами тем их конкретных НИР и поиск ответа на теоретические вопросы по заданию преподавателя. Результаты обсуждаются преподавателем совместно всеми студентами. Используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, включая электронные, учебно-методические пособия.	6
4	- Подготовка к дифференцированному зачету с использованием электронного конспекта лекций, методических пособий, учебников и монографий, рекомендованных данной программой.	6
ВСЕГО ( зач. ед.(часов))	24час.+ 1 зач. ед.

Содержание дисциплины

№ п/п	Название модулей	Разделы и темы лекционных занятий	Содержание	Объем
Аудиторная работа (зачетные единицы/часы)	Самостоятельная работа (зачетные единицы/часы
1	I Термодинамика вещества с высокой концентрацией энергии _________ Фазовая диаграмма и фазовые переходы _________ Термодинамика неидеальных систем	Основные понятия термодинамики вещества с высокой концентрацией энергии	Состояние термодинамического равновесия. Равновесие полное и частичное. Двухтемпературная плазма, "замороженные" степени свободы. Особенности термодинамического равновесия в кулоновских системах. Электрохимический и локальный химический потенциалы. Термодинамические величины. Общая структура. Иерархичность. Стандарт обозначений. Термодинамические ("Производящие") потенциалы, их естественные переменные. Сопряженные переменные. Исключительность свободной энергии F(N, V,T) и термодинамического потенциал W(m,V, T) в теории неидеальной плазмы. Безразмерные комплексы: PV/RT, U/RT, U/PV и др. Дифференциальные характеристики: теплоемкости, сжимаемость, коэффициент термического расширения, скорость звука, показатели изотермы и изоэнтропы, параметр Грюнайзена. Уравнения состояния (УРС): Термическое и калорическое УРС. Неполнота калорического УРС U(P, V). Особенности термодинамического описания в сопряженных переменных. Термодинамические процессы. Обратимые и необратимые. Адиабатические процессы. Смысл их графического изображения. Ударное и изоэнтропическое сжатие и расширение (адиабаты Пуассона и Гюгонио). Исключительная роль калорического УРС U(Р, V) для описания гидродинамики адиабатических течений и для экспериментального изучения неидеальной плазмы (ударные волны, взрывающиеся проволочки, изоэнтропические разгрузка и сжатие). Связь параметров адиабатических процессов с калорическим УРС. Понятие о термодинамическом подобии.	8	4
2	Неидеальная плазма в земных и космических приложениях.	Традиционные объекты. Разряды. Продукты сгорания и взрыва. Плазма в современных и перспективных энергоустройствах. Инерциальный термоядерный синтез. Ядерная энергетика. Проблемы безопасности и техногенных катастроф. Высокоэнергетическое воздействие на вещество. Лазерный нагрев. Электронные и ионные пучки. Микро-электровзрыв. Неидеальная плазма в астрофизических приложениях. Характерные параметры плазмы астрофизических объектов (Солнца, планет-гигантов, белых и коричневых карликов, нейтронных звезд). Примеры нетрадиционных систем с сильным кулоновским взаимодействием. Электрон-дырочная плазма полупроводников. Плоские слои зарядов. Ионы в магнитных ловушках.	8	4
3	Общие сведения о фазовой диаграмме вещества с высокой концентрацией энергии.	Области конденсированного, плазменного и идеально-газового состояния. Зона электронного вырождения. Границы фазовых переходов испарения и плавления перехода газ-жидкость в термическом и калорическом УРС. Общий вид фазовой диаграммы вещества в стандартных представлениях: P-N, P-V, T-V и H-T. Сосуществование фаз. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Двухфазные области. Бинодаль, спинодаль, тройная и критическая точки. Метастабильные состояния. Опорные размерные величины вещества: нормальная плотность, теплота плавления, кипения и сублимации, энергии ионизации, диссоциации и др. Критические параметры. Взаимосвязь с параметрами межчастичного взаимодействия. Понятие полос ионизации (ПИ). Укрупненные (оболочечные) полосы. Полосы молекулярных превращений. Взаиморасположение. Предельные свойства. Связь с термохимическими параметрами. Полуэмпирические закономерности для границы перехода газ-жидкость. Правило прямолинейного диаметра. Линейность логарифма давления насыщения как функции от обратной температуры. Степенной характер убывания теплоты испарения с температурой. Понятие о гипотетических “плазменных фазовых переходах” (ПФП). История и современные поиски в плотной плазме водорода, благородных газах и металлах. Результаты экспериментальных поисков ПФП. Неконгруэнтные фазовые переходы (НФП) в плазме смесей и химических соединений (компаундов). Особенности фазовых диаграмм НФП. Фазовые переходы в уран-содержащих топливах современных и перспективных ядерных реакторов и связь с проблемой безопасности ядерной энергетики.	8	4
4	Связь термодинамики с приближением сплошной среды.	Связь электростатики и термодинамики в задачах термо-электроста-тики. "Самосогласованное" приближение ("среднего поля"). Безкорреляционные приближения Пуассона-Больцмана и Томаса-Ферми. Простейший учет корреляций. Приближения Томаса-Ферми-Дирака и Пуассона-Больцмана-Дебая. Примеры: электроны в атомной ячейке, заряды вокруг мелкодисперсной конденсированной частицы, структура двойного электрического слоя на границе проводника, профиль заряда в Z-пинче, ионы в магнитных накопителях. Течения. Адиабатические течения: изоэнтропическое, дросселирование, расширение в пустоту, ударное сжатие. Эффективный показатель изоэнтропы. Приближение локального термодинамического равновесия (ЛТР). Полное и неполное ЛТР. Замороженные течения. Роль калорического уравнения состояния U(PV) в адиабатических течениях. Связь показателя изоэнтропы и формы ударной адиабаты с УРС U(PV). Неполнота термодинамического описания, содержащаяся в калорическом УРС. Пример трех идеальных газов и системы частиц с взаимодействием ~ 1/r2.	8	4
5	Общие сведения о механизмах неидеальности и их влиянии на термодинамику вещества с высокой концентрацией энергии	Понятие о механизмах неидеальности по разным типам межчастичного взаимодействия и их влияния на термодинамику газоплазменных систем. Терминология. "Поправки на неидеальность". Идеализация бинарно-аддитивного межчастичного взаимодействия. Два эффекта межчастичного притяжения – образование ассоциаций и потеря термодинамической устойчивости (фазовый переход). Основные эффекты и определяющие безразмерные параметры. Ионизация давлением. Термин и содержание. Строение N-Т диаграммы для водорода и плазмы металлов. Взаимодействие заряд-нейтрал и нейтрал-нейтрал. Параметры неидеальности.	8	4
6		Особенности кулоновской неидеальности в плотной плазме.	Дебаевское приближение для поправок на неидеальность. Проблема разделения степеней свободы на внутренние и поступательные. Общие представления об аппарате строгой теории неидеальных систем. Разложения, диаграммы, Понятия о диаграммном пересуммировании. Неидеальная плазма в идеализированных кулоновских моделях. Общие сведения о семействе кулоновских моделей и структуре их фазовых диаграмм. Однокомпонентная классическая плазма (ОКП). Электронный газ (модель “желе”). Модель классической ионной смеси. Заряженные твердые сферы. Двухкомпонентные модели. Фазовые свойства кулоновских моделей.	8	4

Образовательные технологии

№ п/п	Вид занятия	Форма проведения занятий	Цель
1	лекция	Изложение теоретического материала	получение теоретических знаний по дисциплине
2	лекция	Изложение теоретического материала с помощью презентаций	повышение степени понимания материала
3	лекция	Решение задач по заданию (индивидуальному где требуется) преподавателя – готовится ответы на вопросы, выданные (индивидуально и коллективно) преподавателем в процессе лекционных занятий и обсуждаются с участием всех слушателей, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, а также учебно-методические пособия	осознание связей между теорией и практикой, а также взаимозависимостей разных дисциплин
4	самостоятельная работа студента	Подготовка к применению полученных знаний в НИР студента, подготовка к зачету с оценкой	повышение степени понимания материала

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

Перечень контрольных вопросов для сдачи дифференцированного зачета в 7-ом семестре.

1.  Термодинамические параметры и функции. Терминология. Классификация. Экстенсивные и интенсивные, удельные, сопряженные. Термодинамические ("производящие") потенциалы и их собственные переменные. Термодинамические потенциалы, преимущественно используемые в теории неидеальных систем. Основные безразмерные комплексы термодинамических величин (PV/RT, U/RT, U/PV, Cp/R, Cv/R и др.). Их предельные значения для идеального газа.

2.  Уравнения Состояния (УРС). Термическое и калорическое. "Усеченное" калорическое УРС. Связь показателя изэнтропы и уравнения ударной адиабаты с усеченным калорическим УРС (вывод). Общий случай и частный: U(P, V) = U(PV) = A + B*PV.

3.  Адиабатические и неадиабатические термодинамические процессы. Примеры. Что необходимо задать из термодинамики для расчета газодинамики адиабатических процессов.

4.  Полное и частичное термодинамическое равновесие. Локальное термодинамическое равновесие (ЛТР). Двухтемпературная плазма.

5.  Понятие о термодинамическом пределе. Размерность термодинамических функций в термодинамическом пределе. Особенность в случае плазмы. Иерархичность полного набора термодинамических функций и независимых переменных. Особенности термодинамического предела в плазме.

6.  Идеальный газ. Смысл термина. Разновидности. Совершенный газ. Квазиидеальный газ. Идеальная смесь. Примеры. Различие системы без взаимодейс­твия и системы без корреляций. Идеальный газ со статистикой Больцмана, Ферми, Бозе. УРС идеального ферми-газа при T = 0 и при Т > 0.

7.  Структура фазовой диаграммы идеальной частично ионизованной невырожденной плазмы (включая области плавления и испарения): "Полосы" ионизации (ПИ) и диссоциации (ПД). Границы, форма и расположение полос в ПИ и ПМ в координатах r-T, U-T и P-T.

8.  Ход термодинамических зависимостей при пересечении полос ионизации и диссоциации. Поведение безразмерных комплексов PV/RT и U-3/2PV на изолиниях. Искажения изоэнтропы и ударной адиабаты, пересекающих ПИ. Понятие об "оболочечных" осцилляциях.

9.  Виды межчастичных взаимодействий. Смысл терминов - короткодействие и дальнодействие. Условия "малости" взаимодействия. Взаимодействия парные и непарные, аддитивные и не..., насыщаемые и бинарно-аддитивные. Термодинамические проявления межчастичного притяжения и отталкивания. Образование ассоциатов, фазовые переходы, жесткость УРС вещества в конденсированном состоянии, "холодная кривая".

10.  Примеры простейших моделей неидеальных систем с короткодействием и дальнодействием. Выражение для параметра неидеальности.

11.  Понятие о вириальном и групповом разложениях. Формула для второго вириального коэффициента.

12.  Диаграмма и параметры неидеальности классической и квантовой однокомпонентной плазмы. Структура асимптотических разложений электронного газа в двух пределах слабой неидеальности.

Материально-техническое обеспечение дисциплины

  Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор, звуковая система)

Необходимое программное обеспечение: Стандартные пакеты Оффиса: PPT, WORD etc.

Обеспечение самостоятельной работы Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных

http://www. ihed. *****/rusbank/

http://www. nist. gov/pml/data/index. cfm

http://www. /

Обеспечение образовательного процесса лабораторным оборудование – нет

Наименование возможных тем курсовых работ –учебным планом не предусмотрены ТЕМАТИКА И ФОРМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАБОТЫ – учебным планом не предусмотрены ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ РАБОТ – учебным планом не предусмотрены Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

Основная литература.

1.  Иосилевский характеристика термодинамического описания низкотемпературной плазмы, Энциклопедия Низкотемпературной Плазмы, т. I (Под ред. ) (М.: Наука, 2000) с.275. (См файлы)

2.  Иосилевский А. Н. Проблема термодинамической устойчивости в низкотемпературной плазме, "Энциклопедия Низкотемпературной Плазмы", т. I ( Под ред. ) (М.: Наука, 2000) с.327.

3.  , , - Физика Неидеальной Плазмы, ИХФ Черноголовка, 1984. Энергоатомиздат, 1994.

4.  - Теория связанных состояний и ионизационного равновесия в плазме, МИР, Москва, 1979.

5.  Иосилевский И. Л. Эффекты неидеальности в низкотемпературной плазме, Энциклопедия низкотемпературной плазмы, Том приложений III-1, Ред. и И..Л. Иосилевский / М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, сс.349-428.

Дополнительная литература.

6.  Статистическая физика - учебники: Ландау и Лифшиц; Квасников, МГУ, 1991; Р. Кубо; Р. Фейнман, Уленбек и Форд, Т. Хилл, К. Хуанг (1966), А. Исихара (1973) и др.)

7.  Термодинамика - учебники: (1976), Кубо (1970)

8.  Грязнов В. К, Иосилевский И. Л., Фортов В. Е., Термодинамика ударно-сжатой плазмы в квазихимическом представлении, Том III-1 приложений к Энциклопедии по физике низкотемпературной плазмы, «Термодинамические свойства низкотемпературной плазмы» М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. cc.111-139

9.  , - Физика ударных волн, Наука, М.1966

10.  Крефт В, Кремп Д, Эбелинг В, Квантовая статистика систем заряженных частиц (М.: Мир, 1988)

11.  , , Теория возмущений и псевдопотенциал в статистической термодинамике (М.: Наука, 1981)

12.  Теплофизика рабочих сред газофазного ядерного реактора /ред. /, Атомиздат, Москва, 1980. (авторы: - , , )

Пособия и методические указания.

Теплофизические свойства высокотемпературных сред, Учебное пособие МФТИ, 2002.

Программу составил

профессор, д. ф.–м. н. ,

«_12__»_октября__2012 г.