МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ
АВИАЦИОННАЯ АКАДЕМИЯ
Методическое указание
выполнения самостоятельной работы
по курсу «Термодинамика».
Направление 553100, квалификация – бакалавр техники и технологии
Специальность 070700, квалификация – инженер – теплофизик
Форма обучения – очная
Самостоятельная работа – 92 ч.
Методические указания разработаны д. т.н., профессором
_________________
Методические указания рассмотрены и одобрены на методическом семинаре
кафедры
«__» ___________ 2002, протокол №
Зав. кафедры Физики _____________
«__» ____________ 2002 г.
Рыбинск 2002 г.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Выполнения самостоятельной работы по курсу «Термодинамика»
Введение
Базовыми дисциплинами, закладывающими методико-логический фундамент для построения теоретических основ термодинамики, являются физика и математика. Физика в одном из своих основных фундаментальных разделов, включающих в себя молекулярно-кинетическую теорию, термодинамику, элементы статистической физики, закладывает основные понятия и подходы теоретической термодинамики. Математика снабжает ее аппаратом построения логических формализованных цепочек для вывода необходимых закономерностей и зависимостей. Очные (аудиторные) форму обучения для достижения основной цели – высокого качества подготовки должны сочетаться с достаточно хорошо продуманной и организованной самостоятельной работой студента над материалом изучаемой дисциплины. Это, в первую очередь, предполагает приобретение (наличие) навыков самостоятельной работы с учебно-методической и научной литературой, а также обоснованность принятия решений на предметно-практическом уровне.
Самостоятельная работа, планируемая по курсу, может быть подразделена на несколько частей. Первая из них подразумевает самостоятельное дополнительное повторение разделов, изученных ранее в предшествующие моменты образовательной цепочки, включая школу и вузовские курсы, изучаемые ранее по времени. Вторая часть представляет собой выполнение домашних заданий, лабораторной расчетной работы, подготовки к контрольным и рейтингу. Всего в четвертом семестре запланировано 35 часов на самостоятельную работу студентов. Из них в соответствии с настоящими методическими указаниями предлагается следующее распределение отмеченного промежутка часов по отдельным видам самостоятельной работы.
1. Работа с литературой по вышеперечисленным разделам теоретического курса – 14 часов.
2. Выполнение домашних заданий – 10 часов.
3. Выполнение домашней лабораторной компьютерной работы – 3 часа.
4. Подготовка к контрольным работам – 8 часов.
Теоретические разделы курса
Механика:
Описание движения жидкостей. Уравнение Бернулли. Истечение жидкости из отверстия. Вязкость. Течение жидкости в трубах. Движение тел в жидкостях и газах.
Курс физики: Учебн.: В 3-х т., т.1: Механика. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1989. – 852 с.
Основы молекулярной физики и термодинамики. Молекулярно-кинетическая теория. Состояние системы. Термодинамический процесс. Модели термодинамики. Идеальный газ. Уравнение состояния. Изопроцессы. Закон Дальтона. Закон Авогадро. Основное уравнение МКТ. Масса и размеры молекул. Средняя энергия молекул.
Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия и теплоемкость идеальных газов.
Классическая теория теплоемкости идеальных газов.
Статистические распределения. Распределение Максвелла. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
Явления переноса.
Длина свободного пробега молекул.
Эмпирические уравнения явлений переноса.
Молекулярно-кинетическая теория явлений переноса.
Второе начало. Микро - и макро состояния. Энтропия. Энтропия идеального газа. Второе начало термодинамики.
При работе с литературой по перечисленной тематике студент обязан составить конспект, который сдается на проверку преподавателю на 15 неделе четвертого семестра.
Результаты проверки конспекта учитываются преподавателем при выставлении итоговой экзаменационной семестровой оценки по дисциплине в целом.
Эффективность усвоения лекционного материала и курса в целом определяется уровнем самостоятельной активности студента и качестве его работы с основной и дополнительно рекомендуемой литературой. Самостоятельная работа обучающегося с дополнительной литературой кроме основного аспекта (более глубока для усвоения лекционного материала) содержит в себе еще и второй – позволит обратить внимание на отдельные тонкости, опущенные в лекционном курсе из-за дефицита аудиторных часов. Внеаудиторное изучение теоретического материала способствует формированию у студентов современного естественнонаучного мировоззрения и создает основу для сознательного использования формализованной логики предмета и ее математических методов, облегчая работу при решении задач и выполнении домашних расчетно-графических заданий, а также помогает более глубоко проникнуть в суть исследований, проводимых при выполнении лабораторных работ.
Подготовка к практическим занятиям
Качество освоения теоретического материала и курса в целом в немалой степени определяется уровнем и эффективностью практических занятий выполняемых как совместно в аудитории на семинарах так и обязательной самостоятельной работы при подготовке к практическим занятиям по самостоятельному решению наиболее характерных задач по рекомендации преподавателя определяемым в виде заданий на самостоятельную «домашнюю» проработку.
Одна из основных задач любых курсов, тем более фундаментальных, к которым на полном основании можно отнести Термодинамику, является привитие навыков, выработка умений и навыков решения конкретных задач из различных разделов теоретического курса, позволяющие в дальнейшем решать научные и инженерные, т. е. практические задачи. В процессе решения задач отрабатывается способность применения общих теоретических закономерностей к отдельным конкретным практическим вопросам, что способствует более глубокому проникновению в сущность изучаемой дисциплины.
К сожалению на наш взгляд выбор задачников по термодинамике недостаточно велик и нам представляется возможным рекомендовать пособия [9,10,].
Во время аудиторных практических занятий с подробным анализом решаются порядка пяти – шести задач с постепенно возрастающей сложностью. В качестве домашних заданий предлагаются 5-6 задач среднего уровня трудности и указанных выше сборников [9,10,].
Решение домашних заданий предопределяет не только знание теоретических разделов и физических законов, но и специальных методических приемов, принципов решения общих для группы задач из определенного раздела.
Приступать к решению задач необходимо после достаточно тщательного изучения теоретического лекционного материала соответствующего раздела. При решении задач необходимо пользоваться некоторыми правилами методического характера:
- записать краткое условие задачи, переведя в систему СИ все данные, и выяснив необходимые табличные константы; выполнить анализ задачи, вскрыв логический путь поиска искомой величины с отражением всех необходимых закономерностей, используемых для решения; выполнить графическое отображение (эскиз) условий задачи, а при необходимости и решения задачи в соответствующей диаграмме (P, V; T, S; i, s; i, d и т. д); выполнить решение задачи в общем виде, сопровождая расчетные зависимости пояснениями; оценить правильность полученного решения проверкой размерности, полным использованием исходных данных; произвести численный расчет с учетом необходимой точности решения; оценить логическую целесообразность полученной в расчете величины.
Методика контроля и оценки качества выполнения студентами самостоятельной работы на практических занятиях осуществляется:
- беглым опросом теоретических положений с выставлением оценки; проверкой домашних заданий и конспекта по теории, вынесенной на самостоятельную проработку; проведение контрольных работ.
Выполнение домашних заданий
В четвертом семестре выполняется два домашних задания. Первое выдается на второй неделе и выполняется в течение трех последующих недель. Выполненная работа сдается на проверку преподавателю не позднее чем в конце 4 недели. После проверки преподавателем при ее верном выполнении студентом, о чем должна свидетельствовать надпись на титульном листе работы (обложки) к защите, в назначенные преподавателем дни и время студентом защищается выполненное домашнее задание. Результат защиты также должен учитываться преподавателем при определении итоговой оценки по курсу за семестр в целом.
При выполнении первого задания необходимо использовать разработанное на кафедре методическое руководство по выполнению домашнего задания по термодинамике «Газовые смеси».
При невыполнении задания в срок итоговая оценка его качества снижается.
Второе домашнее задание выдается в конце шестой и на седьмой неделе. Оно посвящено термодинамике процесса смешения и носит название «Расчет газовых смесей».
Для выполнения второго домашнего задания на кафедре выпущено методическое пособие по его выполнению, которое может рассматриваться как основной литературный источник, используемый при выполнении второго домашнего задания. В качестве дополнительной литературы при выполнении домашних заданий могут быть рекомендованы специальные монографии и учебные пособия, приведенные в основном списке литературных источников настоящих методических указаний.
В качестве домашней самостоятельной лабораторной работы на кафедре предлагается выполнить расчет изменения расхода и параметров газа в сосуде ограниченной емкости при истечении через коническое сопло малого сечения. При выполнении этой работы каждому студенту необходимо написать собственную программу для осуществления компьютерного расчета. Методическое пособие, разработанное на кафедре, содержит в себе необходимый теоретический и практический материал, позволяющий осуществить своевременное и качественное выполнение самостоятельной лабораторной работы. Лабораторная работа выполняется на десятой неделе, по окончании которой студенты должны отчитаться перед преподавателем по факту выполнения.
В пятом семестре самостоятельная работа по учебному плану составляет 57 часов. Распределение этих часов по видам самостоятельной работы, выполнение которой предполагается в пятом семестре выглядит следующим образом:
- третье домашнее задание – 20 подготовка к контрольным работам, лабораторным и экзаменам – 28 выполнение самостоятельной вычислительной лабораторной работы – 9
Третье домашнее задание принципиально по форме, характеру исполнения и его методическому обеспечению существенно отличается от предшествующих двух большей степенью индивидуальности и отсутствием готового алгоритма его решения.
При выполнении третьего задания требуется решить ряд задач термодинамики повышенной трудности практически на все основные разделы, изложенные в основном теоретическом курсе. Методическим базисом при его выполнении служат монографии, учебная, учебно-методическая литература, список которой представлен в конце настоящих методических указаний.
Цель задания проверить качество и полноту освоения курса, а также уменье студентами самостоятельного поиска решения задач термодинамики повышенной трудности. При этом для решения задач студент должен не только знать основные законы, понятия и соотношения изученных разделов термодинамики, уметь грамотно использовать их при анализе и в процессе поиска решения, но достаточно осознано владеть необходимыми математическими методами и сопутствующим им математическим аппаратом, освоенным в процессе изучения курса высшей математики: уметь дифференцировать, интегрировать, решать дифференциальное уравнение, использовать основные понятия и приемы теории вероятности, математической статистики, разложение функций в ряды с их анализом на сходимость и т. д.
Титульный лист работы оформляется в строгом соответствии со стандартом академии.
При решении задач следует выполнять следующие требования:
- Задачи должны быть пронумерованы соответственно их номерам в задании. Записан полный текст условия задачи; Должна быть выполнена краткая запись условия задачи, в которой сделан пересчет всех имеющихся величин в СИ. Недостающие в условии данные (физические константы, коэффициенты и др.), необходимые для решения, следует найти в соответствующих справочниках и записать в краткое условие задачи; Решение каждой задачи следует начинать с подробного анализа физических процессов, которые рассматриваются в задаче. Необходимо сделать рисунок, чертеж, поясняющий сущность задачи. Все обозначения на чертеже и в дальнейшем встречающиеся при решении задачи должны быть пояснены. Задача решается подробно с необходимыми пояснениями, с ссылками на физические законы. Не допустимо использовать в РГР готовые формулы, взятые из учебника или справочника. Не разрешается запись окончательных формул (ответа) без промежуточных пояснений и рассуждений. Задача, рассчитанная таким образом, решенной не считается и преподавателем при подсчете баллов не учитывается; Необходимо отметить все упрощающие предложения, которые делаются при решении задачи (например, тело рассматривается как материальная точка, блок считается невесомым, нить нерастяжимой и т. д.); Задачу следует решать в общем виде (буквенных обозначениях), так, чтобы искомая величина была выражена через величины, заданные в условии. Обычно для этого составляется замкнутая система уравнений и производится алгебраическое решение задачи. В полученной результатной формуле необходимо проверить равенство размерностей в правой и левой частях. Необходимо проверить применимость полученной формулы к частным случаям, для которых решение известно из ранее рассмотренных задач; Численные расчеты производятся в системе СИ, при этом учитывается степень точности данных в условии задачи. При расчетах следует руководствоваться правилами действия с приближенными числами: в полученном значении вычисленной величины следует сохранить тот знак, единица которого еще превышает погрешность этой величины, следующие цифры – отбросить (округлить); После получения численного ответа необходимо оценить его правдоподобность (на пример, скорость тела не может превышать световую, коэффициент трения не может превышать единицы и т. д.); Если результатом решения задачи является функция от некоторых физических переменных, ее нужно проанализировать, используя для этих исследований знания соответствующих разделав высшей математики (нахождения экстремумов и т. д.). Необходимо начертить график функции, пояснить ее физический смысл.
Литература
Рабочая программа по дисциплине «Термодинамика» для направления 553100 и специальности 070700, Рыбинск 2001г., 10с. Термодинамика конспект лекций (электронный вариант), Рыбинск: РГАТА, 2001г. - с. Теплотехника: учебник для студентов вузов / , , и др. ; Под общ. ред. . - М.: Машиностроение, 1986. - 432с. , , Техническая термодинамика. М.: Наука, 1979. - 512с. , Термодинамика. - М.: Машиностроение, 1972. - 67с. Техническая термодинамика. - М.: Мир, 1977. - 518с. , , Термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1975. - 495с. Общая теплотехника. - М.: Высшая школа, 1980. - 552с. 9. Сборник задач по технической термодинамике. - М.:Машиностроение, 1973. - 344 с. , Сборник задач по термодинамике. - М.: Просвещение, 1976. - 160с. Сборник задач по общей теплотехнике. - М.: Высшая школа, 1977. - 239с. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок. - М: Энергия, 1969. - 368с. нализ циклов в технической термодинамике. - М.:Энергия, 1979. - 280с. Основы технической термодинамики реальных процессов. - М.: Высшая школа, 1975. - 264с.
Дополнительная литература
Термодинамика. – М.: Наука, 1971. – 375с. еория теплоты. – М.: Энергия, 1974. – 504с. Термодинамика. – М.: Высшая школа, 1976. – 447с. Основы статистической физики и термодинамики. – М.: Наука, 1973. – 423с. Стенгерс И, Время, хаос, квант (К решению парадокса времени). – М.: Эдиторная УРСС, 2001. – 240с.
