1. Цели и задачи дисциплины
Курс “ теория тепломассопереноса в природных средах ” посвящён изучению основных закономерностей переноса вещества и тепла в природных средах. Целью дисциплины является предоставление студентам информации о законах и особенностях переноса в атмосфере, гидросфере и почве. Особое внимание в курсе уделяется экологическим вопросам распространения загрязнения в окружающей среде.
Задачами изучения дисциплины является приобретение студентами знаний по следующим направлениям:
Перенос тепла и вещества в атмосфере. Распространение загрязнения в атмосфере Перенос тепла и вещества в почве. Распространение загрязнения в почве Перенос тепла и вещества в гидросфере. Распространение загрязнения в реках
Изучение дисциплины требует от студентов знаний основ следующих дисциплин:
Механика сплошных сред. Общая физика Общая химия.
2. Требования к уровню освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины студенты должны:
знать основные понятия и подходы существующие в современной физике атмосферы, гидрологии и физике экзогенных геологических процессов;
уметь применять на практике полученные в курсе сведения для предсказания распространения загрязняющих веществ в окружающей среде.
Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры |
Общая трудоемкость дисциплины | 68 | 9 |
Аудиторные занятия | 34 | 9 |
Лекции | 34 | 9 |
Практические занятия (ПЗ) | - | - |
Семинары (С) | - | - |
Лабораторные работы (ЛР) | - | - |
Другие виды аудиторных занятий | - | - |
Самостоятельная работа | 34 | 9 |
Курсовой проект | - | - |
Курсовая работа | - | - |
Расчетно-графические работы | - | - |
Графическая работа | - | - |
Расчетная работа | - | - |
Домашняя работа | - | - |
Домашнее задание | - | - |
Реферат | - | - |
Другие виды самостоятельных занятий | - | - |
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | ЗАЧЕТ | 9 |
Содержание дисциплины
Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции, Час. | ПЗ, Час. | С, час. | ЛР, час. |
1 | Перенос в атмосфере | 9 | |||
2 | Перенос в почвах | 4 | |||
3 | Перенос в гидросфере | 4 |
Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Перенос в атмосфере
Строение атмосферы
Определение атмосферы и ее размеры. Основные слои атмосферы и их основные особенности. Химический состав атмосферы.
1.2 Статика атмосферы.
Применимость использования статического приближения для атмосферы. Вывод основного уравнения статики и его следствия. Барометрические формулы.
Термодинамика атмосферы.
Адиабатическое приближение. Изменение температуры при адиабатическом подъеме воздушной массы. Сухоадиабатический и влажноадиабатический градиент. Термодинамическая устойчивость атмосферы. Слои инверсии.
Турбулентное состояние атмосферы.
Числа Ренольдса и Ричарсона как критерии перехода к турбулентности в атмосфере. Степень развития турбулентности. Турбулентный поток. Коэффициент турбулентности. Сравнение коэффициентов турбулентного и молекулярного переноса.
Перенос тепла в атмосфере.
Альбедо. Основные процессы, ответственные за перенос тепла в атмосфере. Конвективный и адвективный перенос тепла.
Облака.
Основные типы облаков и их классификация. Примеры облаков верхнего,
среднего и нижнего яруса. Облака вертикального развития. Водность облака. Значения температур и коэффициентов турбулентности в облаках.
1.7. Осадки. Образование осадков.
Типы осадков. Особенности образования осадков в облаке. Механизмы роста дождевой капли. Уравнения описывающие конденсацию и гравитационную коагуляцию. Коэффициент соударения. Формула Ленгмюра-Блоджет для коэффициента соударения. Число Стокса.
1.8. Уравнение движения атмосферы.
Рассмотрение сил, действующих на частицу воздуха: градиент давления, сила тяжести, сила Кариолиса и сила трения. Коэффициент турбулентной и молекулярной вязкости. Свободная атмосфера, пограничный и приземный слой. Уравнение движение атмосферы. Основные уравнения метеорологии.
1.9. Геострофический ветер.
Определение геострофического ветра и уравнения его описывающие. Изменение геострофического ветра с высотой, вывод основных уравнений. Направление данного ветра в северном и южном полушарии.
1.10. Градиентный ветер в циклонах и антициклонах.
Определение градиентного ветра, циклонов и антициклонов. Направление градиентного ветра. Основное уравнение описывающее градиентный ветер. Скорость ветра в циклонах и антициклонах.
1.11. Особенности движения воздуха в пограничном слое атмосферы.
Направление ветра в пограничном слое и его изменение с высотой. Спираль Экмана. Местные ветры (бриз, горно-долинный ветер). Муссоны.
1.12. Основное уравнение переноса примеси.
Основное уравнение переноса примеси. Адвективный и конвективный приток примеси, приток примеси под влиянием горизонтального и вертикального турбулентного обмена. Механизмы саммочищения атмосферы.
1.13. Сухое и мокрое выпадение загрязняющих веществ.
Определения сухого и мокрого выпадения. Механизмы ответственные за сухое выпадение. Влияние дисперсности частиц на скорость выпадения. Подоблачное и внутриоблачное вымывание загрязняющих веществ.
Раздел 2. Перенос в почвах
2.1. Роль внешних факторов в формировании почв.
Экзогенные и эндогенные геологические процессы. Выветривание физическое и химическое. Геологическая деятельность ветра (разрушительная, транспортная и аккумулятивная). Геологическая деятельность водных объектов суши.
2.2. Почвообразующий процесс.
Химический и агрегатный состав почвы. Свойства почв: поглотительная способность, водные свойства, физические свойства.
2.3. Особенности почвы как адсорбента и миграционной среды.
Полифункциональность почвы (ионнобменная адсорбция, иониты). Полидисперсность почвы. Органические вещества почвы (особенности адсорбции, образование растворимых комплексных соединений, экранирование взаимодействия с минеральными частицами). Присутствие микроорганизмов. Непостоянство свойств почв во времени.
2.4. Механизмы миграции в почве.
Движущие силы миграции: фильтрация атмосферных осадков, капиллярный приток влаги, термоперенос, свободная диффузия ионов и ионов адсорбированных, перенос по корневым системам, влияние животных и хозяйственной деятельности человека.
Раздел 3. Перенос в гидросфере
3.1. Особенности переноса в гидросфере.
Особенности переноса в гидросфере по сравнению с атмосферой. Общее и различия. Особенности переноса в океанах, озерах.
3.2. Основные закономерности движения воды в реках.
Движение воды установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномерное. Вертикальное распределение скорости при ламинарном и турбулентном движении. Классификация формы водной поверхности. Число Фруда. Понятие уклона реки. Особенности трения о дно и о поверхность воды. Уравнение движение реки. Скорость течения реки для ламинарного и турбулентного потока. Формула Шези. Коэффициент шероховатости, формула Маннинга. Расход воды.
3.3. Движение речных наносов.
Образование наносов. Склоновая и русловая водная эрозия. Наносы:
взвешенные и влекомые. Основные закономерности движения влекомых наносов, понятие гидравлической крупности частицы. Основные закономерности движения влекомых наносов (трение покоя, закон Эри). Величины стока наносов, примеры. Мутность реки.
3.4. Подземные воды.
Основные силы действующие на воду в грунтах. Виды воды в грунтах: химически связанная, физически связанная (гигроскопичная и пленочная), капиллярная, свободная. Закон Дарси для движения подземных вод. Скорость и коэффициент фильтрации.
5.Лабораторный практикум
В рамках данного курса не запланирован.
6.Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
6.1.Рекомендуемая литература
А) Основная литература
Хргиан атмосферы. М.: МГУ, 1986. 327 с. Матвеев общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 751 с. Охрана окружающей среды/ , и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 422 с. Берлянд проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 444 с. Чечкин C. А. Основы геофизики. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 287 с. Прохоров радиоактивных загрязнений в почвах. М.: Энергоиздат, 1987. 99 с. , Добровольский гидрология. М.: Высш. Школа, 1991. 367. Чеботарев гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 544 с. , Дмитриева гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 462 с.
В) Дополнительная литература
Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде. Радиоэкология после Чернобыля. // Под ред. Харрисона. Р., М.: Мир, 1999. 511 с. , , и др. Основы экологической геофизики. М.: МГУ, 2000. 290 с. инамическая и физическая метеорология. М.: Изд. Иностр. Лит., 1960. 435 с. Климентов гидрогеология. М.: Высш. Школа, 1980. 303 с. Бялко планета – Земля. М.: Наука, 1983. 240 с. , Сидоренков Земля. М.: Наука, 1977. 184 с.
6.2.Средства обеспечения освоения дисциплины.
Не предусмотрены
7. Материально-техническое обеспечения дисциплины.
7.1. .Проектор для просмотра “прозрачек” (“оверхед”).
Методические рекомендации (для студента и преподавателя) по организации изучения дисциплины
Для студента: В процессе изучения курса систематически разбирать и повторять материал, который был прослушан ранее в процессе данного курса лекций; по возможности читать рекомендованную лектором дополнительную литературу; пытаться связать воедино сведения, полученные в данном курсе лекций с ранее прослушанными, с целью формирования всестороннего и комплексного естественно-научного мышления.
Для преподавателя: Для успешного усвоения материала студентами готовить к лекциям различные демонстрационные материалы (плакаты, модели, компьютерные анимации), постоянно совершенствоваться в умении преподнести студентам материал: с одной стороны глубоко и строго, а с другой в доходчивой и интересной форме; просматривать и читать издаваемые в России новые учебные пособия и монографии, касающиеся основных разделов курса, а также знакомиться с основными обзорными и оригинальными статьями, появляющимися в периодической печати. При изложении материала особое внимание уделять выработке у студентов умения использовать полученные в курсе знания для решения практических задач.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего и среднего образования и учебным планом по направлению подготовки 651000 - ядерные физика и технологии, специальности: 072800 - физика кинетический явлений и 070500 – ядерные реакторы и энергетические установки
Программу составил:
, к. ф.-м. н., кафедра молекулярной физики УГТУ-УПИ.
Программа одобрена на заседании кафедры молекулярной физики ………………
Заведующий кафедрой
Программа одобрена на заседании Методической комиссии физико-технического факультета ……………………………..
Председатель Методической комиссии …………….
АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Курс “теория тепломассопереноса в природных средах” посвящён изучению основ переноса вещества и тепла в атмосфере, гидросфере и почве. Наиболее подробно рассмотрены процессы происходящие в атмосфере. Особое внимание в курсе уделяется экологическим вопросам, связанным с переносом загрязняющих веществ в окружающей среде.
Редактор ……………….
Пописано в печать Формат 60x84 1/16
Бумага типографская Плоская печать Усл. п. л.
Уч.-изд. л. Тираж Заказ Цена «С»
Издательство УГТУ
620002, Екатеринбург, Мира, 19
Ротапринт УГТУ. 620002, Екатеринбург, Мира, 19
