Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им.
Дисциплина
Теория теплофизических свойств веществ
(учебная программа)
Выделено на дисциплину | ВСЕГО | Х семестр | ХI семестр |
Выделено часов | 107 час. | 68 час. | 39 час. |
Аудиторная работа | 77 час. | 51 час. | 26 час. |
Лекции | 47час. | 34 час. | 13 час. |
Семинары | 30 час. | 17 час. | 13 час. |
Лабораторные работы | - | - | - |
Самостоятельная работа, в том числе: | 30 час. | 17 час. | 13 час. |
а) Домашние задания | 15 час. | 10 час. | 5 час. |
Д. З. №1 | 10 час., 13 нед. | ||
Д. З. №2 | 5 час., 11 нед. | ||
б) Самостоятельная проработка курса | 15 час. | 7 час. | 8 час. |
Зачет по курсу | Зачет | Зачет | |
Экзамены | - | - |
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 упрощений, а также с основами строгой кинетической теории на основе уравнения Больцмана для 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 персональных компьютеров в широком диапазоне определяющих параметров.
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: 5 час.
Основные 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 4 час.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (IX семестр) 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 динамику разреженного газа. - М.: Наука, 19с.
2. Коган разреженного газа. - М.: Наука, 19с.
3. Силин в кинетическую теорию плазмы. - М.: Наука, 19с.
Дополнительная литература
1. Варгафтик по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 19с.
2. Гиршфельдер Дж., и Молекулярная теория газов и жидкостей. - М.: Изд-во Иностранной Литературы. 19с.
3. Ферцигер Дж., Математическая теория процессов переноса в газах. - М.: Мир. 19с.
4. Райзер газового разряда. - М.: Наука. 19с.
