СМ6 - Теплофизика - МГТУ им. Н. Э. Баумана

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
УТВЕРЖДАЮ
первый проректор, проректор по
учебной работе МГТУ им.
Н.Э.Баумана
_____________________Е.Г. Юдин
“ ____”___________________2003 г.
Основы теплотехники
(учебная программа)
Для студентов факультета СМ
Специальность 17.14.00 "Средства поражения и боеприпасы" (СМ6)
Виды учебных работ
Выделено на дисциплину
Аудиторная работа
Лекции
Семинары
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Домашние задания
ДЗ №1
ДЗ №2
Самостоятельная проработка курса
Виды отчетности по дисциплине
Зачет
Экзамен
Кафедра, ведущая занятия
Объем работ, час.
Всего
68
51
34
17
17
11
6 час. (10 нед.)
5 час. (14 нед.)
6
5 сем.
68
51
34
17
17
11
6 час. (10 нед.)
5 час. (14 нед.)
6
Зачет
Э6
Факультет
“Энергомашиностроение”
Кафедра Э-6
“Теплофизика”
Раздел 1. Цели и задачи дисциплины
Предметом курса "Основы теплотехники" является изучение
фундаментальных законов природы о превращениях и передаче энергии в
различных процессах и повышении эффективности работ машин и аппаратов, в
которых реализуются эти процессы. Целью дисциплины является привитие
студентам
умения
и
навыков,
необходимых
при
выполнении
термодинамических и теплообменных расчетов и для эффективного изучения
материалов последующих профилирующих дисциплин.
Профессиональные навыки, умения и знания, приобретаемые в
результате изучения дисциплины.




1)
2)
3)
4)
5)
6)
Студент должен уметь:
Сформировать задачу связанную с расчетами тепловых процессов;
Разработать физическую модель процесса;
Рассчитывать параметры основных термодинамических процессов.;
Рассчитывать процессы передачи тепловых теплопроводностью, конвекцией
и излучением.
Знания.
Студент должен знать:
1. Законы:
Фундаментальные законы о превращениях энергии в различных
термодинамических процессах, первое и второе начало термодинамики.
Явление теплопроводности в сплошных средах и его математическое
выражение. Краевые условия.
Соотношения
для
определения
теплопередачи
через
плоские,
цилиндрические и сферические однослойные и многослойные стенки
конструкций.
Физические законы и дифференциальные уравнения конвективного
тепломассообмена при ламинарном и турбулентном течениях.
Методы и способы тепловой защиты конструкций.
Зависимости для определения теплоотдачи при ламинарном и турбулентном
течениях на открытых поверхностях и в каналах.
2. Характеристики:
Теплофизические характеристики сред.
Характеристики, параметры и функции состояния.
Характеристики термодинамических процессов, и циклов.
Параметры тепломассообменных процессов при внутреннем и внешнем
обтекании (трубопроводы и внешние поверхности).
5) Обобщенные параметры и критерии тепломассообмена.
1)
2)
3)
4)
3. Понятия:
Энергия, работа, теплота, энтальпия, энтропия, теплоемкость, процесс,
цикл.
Теплопроводность,
конвекция,
излучение,
теплопередача,
тепломассообмен. Тепловой поток, плотность теплового потока, коэффициент
теплопередачи, коэффициент теплоотдачи, коэффициент массоотдачи.
Пограничный слой динамический, тепловой, диффузионный. Критерий,
критериальные уравнения.
1)
2)
3)
4)
4. Методики:
расчета газовых смесей, теплоемкостей, термодинамических процессов,
циклов, параметров и функций состояния;
расчета коэффициентов тепло и массопереноса при ламинарном и
турбулентном течении жидкости в трубах;
расчета теплообмена при обтекании плоской пластины;
расчета и экспериментального определения характеристик тепло - и
массоотдачи при турбулентном обтекании;
5. Приборы и оборудование:
1) Приборы для измерения теплофизических характеристик твердых и
подвижных сред.
2) Приборы для измерения температур, давлений, скоростей, расходов
жидкостей и плотностей тепловых потоков.
Основные исходные, профессиональные и интеллектуальные
навыки, умения, знания, необходимые для изучения дисциплины.
Изучению данной дисциплины предшествует подготовка студентов по
высшей математике, информатике, физике, химии, механике жидкости и газа.
При изучении указанных дисциплин студенты получают фундаментальную
подготовку, основные исходные профессиональные и интеллектуальные
навыки, умения и знания, необходимые для успешного усвоения данной
дисциплины.
В процессе изучения дисциплины используются технические средства
обучения, персональные ЭВМ, комплекс учебно-лабораторных установок,
обеспечивающих экспериментальное подтверждение изучаемых законов и
процессов.
Применяются активные формы обучения, включающие семинарские и
лабораторные занятия, выполнение расчетных домашних заданий,
самостоятельную работу студентов под контролем преподавателя. Текущий
контроль качества усвоения материала осуществляется путем индивидуального
собеседования преподавателя со студентами по результатам лабораторных
работ, при приеме домашних заданий, при выполнении самостоятельной работы
студентов под контролем преподавателя.
Раздел 2. Содержание дисциплины-34 час.
Часть 1. Термодинамика (17час.).
1.1. Введение.(1 час).
1.2. Основные понятия и определения: термодинамическая система, внутренняя
энергия, формы взаимодействия (теплота и работа), термодинамические степени
свободы, термомеханическая система. Первое начало термодинамики и его
уравнение. (1 час).
1.3. Характеристики состояния, независимые переменные, функции состояния,
параметры состояния, координаты состояния. Потенциалы взаимодействия,
уравнения состояния, поверхность состояний. Критерии стабильности,
уравнение состояния идеального газа. (1 час).
1.4. Термодинамический процесс. Равновесный (обратимый) процесс.
Графическое представление процесса. Уравнение процесса. Выражение работы
и теплоты через характеристики состояния. Рабочая и тепловая диаграммы.
Зависимость количества теплоты и работы от характера процесса. Основное
уравнение термодинамики. (2 час).
1.5. Теплоемкость. Удельная теплоемкость: массовая, объемная, молярная.
Истинная и средняя теплоемкость. Зависимость теплоемкости от характера
процесса. Теплоемкости Ср и Сv идеального газа. Вычисление средней
теплоемкости для интервала температур. (1 час).
1.6. Открытая система. Работа вытеснения. Энтальпия. Уравнение первого
закона для системы со стационарным потоком. Располагаемая работа, ее
выражение через параметры состояния и представление в координатах РV. (1
час).
1.7. Термодинамические процессы. Понятие политропного процесса. Анализ
политропного процесса (в его частных случаях: изохорного, изобарного,
изотермического, адиабатного). Особенности термодинамического анализа
процессов. Вычисление незамеряемых функций состояния: внутренней энергии,
энтальпии, энтропии идеального газа. (2 час).
1.8. Циклы: прямой и обратный. Термический и холодильный к.п.д. Цикл и
теорема Карно. Особенности равновесных превращений теплоты и работы. (2
час).
1.9. Второе начало термодинамики – закон о неравновесных (необратимых)
процессах (принцип возрастания энтропии). Физический смысл аналитического
выражения второго начала. Второе начало и принцип существования энтропии.
(1 час).
1.10. Газовые смеси. Смеси идеальных газов. Массовые, объемные и мольные
доли. Формулы, выражающие соотношения между массовыми и объемными
долями. Парциальные давления. Кажущаяся молекулярная масса газовой смеси.
Газовая постоянная газовой смеси. Теплоемкость газовой смеси. (1 час).
1.11. Свойства реальных газов и паров. Отличие свойств реальных газов от
идеальных, уравнение состояния для реальных газов. Основные понятия теории
паров. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Понятие о характеристических
функциях и фазовых переходах I-го рода. (1 час).
Часть 2. Теплопередача.(17 час.)
2.1. Введение. (1 час).
2.2. Основные понятия и определения: температурное поле, градиент
температуры, плотность теплового потока, гипотеза Фурье, коэффициент
теплопроводности, уравнение теплоотдачи Ньютона, коэффициент теплоотдачи,
уравнение теплопередачи, коэффициент теплопередачи, закон СтефанаБольцмана. Математическое описание теплообмена в среде: уравнения энергии,
движения,
неразрывности
(без
вывода),
условия
однозначности
(геометрические, физические, начальные, граничные). Граничные условия I-го,
2-го, 3-го рода. (3 час).
2.3. Стационарная теплопроводность: плоская стенка с граничными условиями
I-го, 2-го и 3-го рода (постановка задачи – дифференциальное уравнение и
условия однозначности, решение), цилиндрическая стенка с граничными
условиями I-го, 2-го и 3-го рода (постановка задачи, результат решения).
Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенку. Пути интенсификации
теплопередачи. Графический метод решения теплопередачи. Тепловая
изоляция, свойства теплозащитных материалов, примеры конструктивного
выполнения тепловой защиты различных объектов: (РДТТ, головные части и
т.д.). Критическая толщина изоляции.
Распределение теплоты теплопроводностью вдоль стержня с постоянным
поперечным сечением. Дифференциальное уравнение. Стержень бесконечной и
конечной длины.(4 часа).
2.4. Конвективный теплообмен. Основные дифференциальные уравнения,
описывающие процесс конвективного теплообмена. Понятие о подобии
физических явлений. Теоремы подобия. Критерии подобия. Условия подобия
явлений теплообмена. Конвективный теплообмен в случае естественной
конвекции в условиях ограниченного и неограниченного пространства.
Критериальные уравнения для случая вынужденной конвекции при движении
жидкости в каналах и при внешнем обтекании тел.
Теплопередача в критической точке при взаимодействии плоского и
осесимметричного ламинарного и турбулентного потока с перпендикулярно
расположенной пластиной. Теплообмен при высоких скоростях движения газа.
Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества (кипение,
конденсация). (4 час).
Раздел 3. Темы практических занятий.
3.А.1. Семинары – (17час.)
№ темы.
1.2, 1.3, 1.10–Практическая проработка тем: параметры состояния, уравнения
состояния, газовые смеси (2час.)
1.4, 1.7 - Первый закон термодинамики - основное уравнение термодинамики,
определение теплоемкости, расчет термодинамических процессов (4 час.)
1.8, 1.9 - Расчет термодинамических циклов, второе начало термодинамики (4
час.)
2.2, 2.3 - Расчет теплопередачи через неоднородную стенку (плоскую и
цилиндрическую) при граничных условиях I,II и III-го рода (4 час.)
2.4, 2.5 - Конвективный теплообмен - определение тепловых потоков,
коэффициента теплоотдачи, температурных потоков и т.п. при ламинарном и
турбулентном течении в условиях внутренней и внешней задач, лучистый
теплообмен (3 часа)
3.А.2. Лабораторные работы. (17 час).
№ темы.
1.8. Термодинамический анализ превращения теплоты в работу в тепловом
двигателе (4 часа).
1.11. Исследование процесса адиабатического истечения воздуха через
сужающееся сопло (3часа).
1.5. Определение изобарной теплоемкости воздуха (3 часа).
2.4. Теплоотдача при вынужденном движении воздуха в трубе (4 часа).
2.4. Теплоотдача горизонтального цилиндра при естественной конвекции (3
часа).
3.Б. Самостоятельная работа (34 часа).
3.Б.1. Домашние задания (11 час).
№ темы
1.8, 1.12 Газовые смеси. Трудоемкость – 6 час.
Выдача задания на 7 нед. Контроль при защите на 10 нед.
2.3. Стационарная теплопроводность. Трудоемкость – 5 час. Выдача задания на
11 нед. Контроль при защите на 14 нед.
3.Б.2. Самостоятельное изучение дисциплины (6 час.)
Раздел 4. Учебно-методические материалы по дисциплине.
4.1. Основная и дополнительная литература
Основная литература
1. Техническая термодинамика. Учебник для ВУЗов (под ред. В.И.Крутова) 3-е
изд. М.: Высшая школа. 1991.
2. Теория тепломассообмена. Учебник для ВУЗов. (под ред.А.И.Леонтьева) 2-е
изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1997.
3. Исаев С.И. Термодинамика. – 3-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2000.
4. Теплотехника. Учебник для ВУЗов (под ред. В.И. Крутова). М.:
Машиностроение. 1986.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Дополнительная литература.
Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена.
Учебное пособие для машиностроительных ВУЗов (под ред. В.И. Крутова и
Г.Б. Петражицкого) М.: Высшая школа. 1986.
Лабораторный практикум по термодинамике и теории теплообмена. Учебное
пособие для ВУЗов (под ред. В.И. Крутова и Е.В. Шишова) М.: Высшая
школа. 1988.
С.С. Кутателадзе. Основы теории теплообмена. изд. М.: Атомиздат. 1979.
А.В. Лыков. Тепломассообмен. 2-ое изд. М.: Энергия. 1978.
В.С.Зарубин, Г.Н.Кувыркин. Термопрочность конструкции ракетного
двигателя твердого топлива. Учебное пособие для ВУЗов, М.,
Машиностроение, 1985.
Киселев Г.А. Тепловая защита боеприпасов. Учебное пособие для ВУЗов.,
ЦНИИ НТИ и ТЭИ, 1988.
4.2. Перечень пособий.
Для демонстрации на лекциях используются следующие наглядные
пособия: комплект плакатов.
Для демонстрации на лабораторных работах используется: комплекты
плакатов.
Программа составлена на основании Государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования по специальности 17.14.00
"Средства поражения и боеприпасы "
Программу составил:
доцент, к.т.н. каф.Э-6
Программа
"Теплофизика"(Э-6)
обсуждена
Заведующий кафедрой
проф. д.т.н.
В.В.Школа
и
одобрена
на
заседании
кафедры
В.И.Хвесюк
Председатель методической
комиссии НУК"Э"
П.И.Пластинин
Руководитель НУК "Э"
И.Г.Суровцев
Согласовано:
Заведующий кафедрой СМ4
проф. д.т.н.
В.С.Соловьев
Начальник методического
отдела
Васильев Н.В.