Програма Теоретичні основи техніки термотехніки; Енергетична номенклатура зі спеціальностями CNAA
Основні поняття термодинаміки. Термодинамічна система, середовище, взаємодія між ними. Стан рівноваги. Основні параметри стану. Внутрішня енергія. Термодинамічні процеси. Оборотні та незворотні процеси.
Перший принцип термодинаміки кількісне вираження закону збереження та перетворення енергії. Форми енергії та шляхи перетворення. Механічні деформаційні роботи. Тепло як форма обміну енергією. Вираження механічної роботи та нагрівання в оборотних процесах через параметри системи та їх взаємне перетворення в нескінченно малі та кінцеві процеси. Механічна робота та нагрівання як функції процесу. Термодинамічні координати та потенціали взаємодії. Ентропія - термодинамічна координата стану. Основна термодинамічна рівність оборотних процесів. Рівняння першого принципу термодинаміки для потоку рідини. Ентальпія, роботи з механічного переміщення, технічні роботи, загальна робота.
Рівняння стану термодинамічних систем. Рівняння теплового та калорійного стану. Загальні властивості рівнянь стану. Теплові коефіцієнти: ізотермічної стисливості, теплової еластичності, теплового розширення. Умова механічної стійкості. Поняття термодинамічної поверхні та кривих термодинамічного процесу. Рівняння Клапейрона-Менделєєва та Ван-дер-Ваальса приклади рівнянь стану.
Поняття про калорійність. Залежність калорійності від характеру термодинамічного процесу. Вираження ізохорної та ізобарної теплотворної здатності похідними енергії та ентальпії в залежності від температури. Молярна, масова та об’ємна калорійність. Залежність теплотворної здатності газів ідеальної температури. Калорійність ідеальної газової суміші.
Другий принцип термодинаміки. Термодинамічна оборотність та оборотність. Зміни ентропії в незворотних процесах. Термодинамічна нерівність. Умови взаємного перетворення теплової та механічної роботи в прямий та інвертований термодинамічні цикли. Теплова ефективність прямого циклу, ефективність охолодження інвертованого циклу. Цикл і теорема Карно. Різні рецептури дають другий принцип термодинаміки. Термодинамічна шкала температури. Поняття імовірності термодинамічного стану та його зв’язок з ентропією.
Вплив незворотності на ефективність термодинамічних циклів. Характерні термодинамічні функції. Характерні функції як термодинамічні потенціали. Внутрішня енергія, ентальпія, ізохорно-ізотермічний потенціал та ізобарно-ізотермічний потенціал як характерні функції. Можливість виразити теплові та калорійні властивості системи через характерні функції. Рівняння Гіббса-Гельмгольца. Відносини Максвелла.
Диференціальні рівняння термодинаміки в часткових похідних. Диференційовані рівняння внутрішньої енергії, ентальпії та ентропії як функції температури, об'єму та тиску як незалежних змінних. Розрахунок величин термодинамічних функцій ідеального та реального газу.
Внутрішня енергія, ентальпія та ентропія ідеального газу. Диференціальні рівняння щодо калорійності. Зв'язок між ізобарною та ізохорною калорійністю. Залежність ізобаричної теплотворної здатності тиску та ізохорної теплотворної здатності об’єму. Використання даних про калорійність для встановлення рівнянь геміпіричного стану.
Термодинамічна рівновага. Складені термодинамічні системи з фазовою та хімічною неоднорідністю. Фундаментальні рівняння термодинаміки композиційних систем. Хімічний потенціал. Умови рівноваги композитної системи, сумісної з навколишнім середовищем. Принцип мінімізації характеристичних функцій. Зв'язок між принципом мінімізації та збільшенням ентропії в незворотних процесах. Умови термодинамічної рівноваги в неоднорідних системах, але з хімічною однорідністю. Умови термодинамічної рівноваги в багатокомпонентних багатофазних системах. Правило фази Гіббса. Фазові переходи першого порядку. Фазові діаграми чистих речовин. Рівняння Клапейрона-Клаусія. Фазові перетворення другого ступеня.
Термодинамічні властивості чистих речовин. Якісні відмінності між реальними та ідеальними властивостями газу. Термодинамічний критичний стан. Рівняння Ван-дер-Ваальса. Метастабільні стани. Правило Максвелла. Параметри розмірного стану, безрозмірні рівняння Ван-дер-Ваальса. Принцип узгоджених станів та термодинамічна подібність. Поняття коефіцієнта стисливості та критичного коефіцієнта. Загальна форма рівняння реального газу Рівняння Майєра-Боголюбова. Вірусні рівняння стану.
Термодинамічні властивості речовин на лінії насичення фаз. Термодинамічні властивості вологого перегрітого пара. Форма граничної кривої. Методи розрахунку ентропії, ентальпії та внутрішньої енергії реальних речовин за допомогою даних про теплові властивості. Діаграми стану: об’єм-тиск, об’єм-температура, ентропія-ентальпія, тиск-ентальпія.
Основні термодинамічні процеси. Алгоритм розрахунку термодинамічного процесу. Процеси: ізохорний, ізобарний, ізотермічний, адіабатичний, політропний. Визначення параметрів стану, варіація термодинамічних функцій у процесах, кількості теплоти, роботи у разі ідеального газу та реальних газів.
Використання діаграм для обчислення процесів. Процеси змішування потоку та об'єму газу.
Ламінування. Опис процесу. Ефект Джоуля-Томсона. Коефіцієнт ламінарного розширення. Точки та крива інверсії.
Термодинаміка одновимірного потоку. Основні спрощення. Рівняння енергії потоку в тепловій та механічній формі. Адіабатичний потік без тертя. Зв'язок швидкості з ентальпією, температурою та поточним тиском. Параметри гальмування. Потік у каналах зі змінним перетином. Втрата критичного тиску. Насадка Лаваля.
Вивчення процесів потоку газу та пари за допомогою ентропійних діаграм.
Термодинамічний аналіз роботи компресора. Технічно-теоретичний поршневий компресор. Реальна робота компресора.
Багатоступеневі компресори. Вибір ступеня стиснення в ступені. Презентація робочих процесів компресора на ентропійних схемах. Механічна робота, необхідна для роботи осьового та відцентрового компресора. Вплив тертя на функціональні параметри компресора.
Термодинамічні еталонні цикли теплових двигунів. Ідеальні термодинамічні цикли поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Вплив конструктивних та функціональних параметрів на теплову ефективність циклів. Ідеальний термодинамічний цикл з надходженням тепла ззовні (Стірлінг). Ідеальні термодинамічні цикли газотурбінних систем та реактивних двигунів. Цикл регенерації тепла. Класичний цикл Ренкіна. Цикли змішаних парогазових турбінних установок. Вплив тиску пари та перегріву на теплову ефективність циклу Ренкіна. Цикл магніто-гідродинамічних установок.
Теоретичний цикл парового охолодження. Теоретичний цикл теплового насоса. Термодинамічна ефективність холодильних циклів. Цикли установок з охолодженим повітрям та стисненою парою. Методи зрідження газу.
Вологе повітря. Характеристика вологого повітря. Абсолютна вологість та відносна вологість. Діаграма вологого повітря. Розрахунок параметрів стану вологого повітря. Процеси нагрівання, охолодження, змочування та сушіння.
Елементи хімічної термодинаміки. Застосування першого принципу термодинаміки до хімічних процесів. Закон Гасса. Рівняння Кірхгофа. Застосування умов термодинамічної рівноваги до опису хімічних реакцій. Постійна рівноваги однорідних реакцій, закон мас. Ступінь дисоціації та її зв’язок з константами рівноваги. Робота хімічної реакції. Закон калорійності Нернста.
Теорія тепло- і масообміну
Початок роботи з теплопровідності. Методи вивчення фізичних явищ. Гіпотеза Біо. Закон Фур'є - основний закон теплопровідності. Теплопровідність. Диференціальне рівняння теплопровідності. Умови унікальності процесів теплопровідності.
Теплопровідність у стійкому стані.
Провідний теплообмін через плоску стінку для граничних умов, таких як I, II та III.
Провідний теплообмін через циліндричну стінку для граничних умов, таких як I, II та III. Критичний діаметр циліндричної стінки. Провідний теплообмін через сферичну стінку. Узагальнений метод інтегрування рівнянь теплопровідності через плоскі, циліндричні та сферичні стінки. Теплопровідність через бар із постійним перетином. Теплопровідність через плавникові пластини. Теплопровідність через пластини з охолоджуючими порами. Теплопровідність через тіла з внутрішніми джерелами тепла.
Провідний теплообмін у нестаціонарному режимі. Нестаціонарна теплопровідність через нескінченні плоскі пластини. Розрахунок кількості теплоти, що виділяється пластиною при охолодженні. Нестаціонарна теплопровідність через нескінченно довгі циліндричні стінки. Розрахунок кількості теплоти, що виділяється циліндром при охолодженні. Охолодження сфери. Охолодження (нагрівання) кінцевих розмірів тіл. Режим охолодження (нагрівання) з постійною швидкістю руху тіл. Орієнтовні методи розв’язання задач провідного теплообміну Дослідження процесів теплопровідності методом аналогії. Чисельні методи розв’язування задач провідного теплообміну.
Диференціальні рівняння теплової конвекції та умови унікальності. Система рівнянь для гідродинамічного, теплового та дифузійного прикордонного шару. Турбулентна передача імпульсу, тепла та маси.
Теорія подібності та метод розмірного аналізу рівнянь конвективного теплопередачі. Критерії подібності та розрахункові критерії конвективного теплообміну. Умови подібності фізичних процесів. Метод розмірного аналізу.
Вільна конвекційна передача тепла. Вільний конвективний теплообмін в ламінарному режимі вздовж вертикальної пластини. Конвективний теплообмін у разі турбулентного руху. Безкоштовний конвективний теплообмін навколо горизонтальної труби. Вільна конвекційна тепловіддача рідини в обмеженому обсязі.
Передача тепла примусовою конвекцією. Ламінарний потік рідини по трубах. Конвективний теплообмін пластини, коли температура поверхні є постійною. Вплив зміни фізичних параметрів. Рішення рівнянь ламінарного прикордонного шару. Приблизні методи розрахунку витрати з різними варіаціями швидкості стінки та температури. Цілісні відношення для імпульсу та енергії. Особливості конвективного теплообміну у разі надзвукового потоку газу. Коефіцієнт розміщення. Закон тепловіддачі.
Відведення тепла під час примусового турбулентного потоку рідини. Перехід ламінарного руху в турбулентність. Напівемпіричні теорії турбулентності.
Інтегральне рівняння тепловіддачі для стабілізованого потоку рідини в трубі. Передача тепла у разі турбулентного прикордонного шару. Вплив фізичних властивостей на теплообмін. Передача тепла в турбулентному прикордонному шарі до зовнішнього потоку навколо тіл. Гідродинамічна аналогія Рейнольдса. Вплив шорсткості на тепловіддачу. Чисельні методи розрахунку турбулентного теплообміну (модель K-E).
Тепловіддача у разі примусового обтікання ізольованої труби та пучка труб.
Передача тепла в розріджених газах. Коефіцієнт розміщення. Коефіцієнт ковзання. Області руху. Теплообмін у вільному молекулярному потоці та в зоні ковзаючого потоку.
Передача тепла до конденсації пари. Конденсація в плівці та краплях. Передача тепла плівковій конденсації нерухомої пари на вертикальній стіні. Конденсат на горизонтальній трубі. Передача тепла плівковій конденсації пари у разі її руху через трубу та через пучок труб. Тепловіддача при конденсації парів із суміші газу та пари. Потрійна аналогія між процесами імпульсу, тепло- і масообміну. Прикордонний шар дифузії. Тепловіддача у разі конденсації пари краплями.
Теплообмін при кип’ятінні однофазних рідин. Режими кипіння рідини. Механізм процесу теплообміну при кулястому кипінні. Виникнення активної фази парів. Діаметр відшарування глобуса. Швидкість росту і частота відшарування глобул від нагрітої поверхні. Залежність температури теплового потоку. Залежність виділення тепла від тиску та теплофізичних властивостей. Вплив швидкості руху. Передача тепла до кулястого кипіння рідини в умовах вільної конвекції. Двофазна структура струму та тепловіддача при закипанні рідини в трубах.
Криза передачі тепла до кипіння та механізм виробництва. Механізм передачі тепла плівковому кипінню рідини. Передача тепла в ламінарний потік парової плівки. Передача тепла при турбулентному потоці парової плівки. Тепло- і масообмін у разі хімічних перетворень. Загальні поняття про хімічні перетворення. Система рівнянь прикордонного шару. Теплообмін між газовою сумішшю та поверхнею поділу фаз. Тепло- і масообмін до сублімації та випаровування з поверхні переносу.
Теплообмін радіацією. Загальні закони теплового випромінювання. Закон Планка. Закон Стефана-Больцмана. Закон Кірхгофа. Закон Ламберта. Теплообмін радіацією між тілами. Радіаційний теплообмін у випадку екранування. Випромінювання між тілом і оболонкою. Теплообмін радіацією між тілами, довільно розміщений у просторі. Коефіцієнти кутового випромінювання. Тепловіддача в поглинаючих та променистих середовищах. Оптична товщина середовища та радіаційні режими. Особливості випромінювання газу та пари. Теплообмін між газоподібним середовищем та покриттям. Складний теплообмін. Критерії радіаційної подібності.
Режими масообміну та їх механізм. Фундаментальні величини та основні закони масопереносу. Диференціальні рівняння переносу маси. Конвективний масообмін. Критерії подібності, характерні для конвективного масообміну. Міжфазний масообмін. Теплообмінники. Тепловий розрахунок теплообмінників. Середня різниця температур і методи розрахунку. Розрахунок кінцевих температур та методи визначення. Розрахунок кінцевих температур теплових агентів. Тепловий розрахунок регенеративних теплообмінників.