академик Фортов В.Е. «Физика высоких плотностей

1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО НАУЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ
(ФАНО РОССИИ)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный
институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
Принято на Ученом совете
ОИВТ РАН
Протокол №2 от 29.06.2015
«Утверждаю»
Директор ОИВТ РАН
______________ академик Фортов В.Е.
«______»______________2015 год
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
«Физика высоких плотностей энергии»
направление подготовки: «Физика и астрономия» код 03.06.01
(направленность – Теплофизика и теоретическая теплотехника)
Квалификация
Исследователь, преподаватель-исследователь
Москва
2015
2
ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.
Вариативная часть, в т.ч.:
6 зач. ед.
Лекции
66 часов
Практические занятия
нет
Лабораторные работы
нет
Индивидуальные занятия с преподавателем
нет
Самостоятельные занятия
126 часа
Итоговая аттестация
диф. зачет 1 курс – 8 часов,
экзамен 2 курс – 16 часов
ВСЕГО
6 зач. ед., 216 часов
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель дисциплины – Целью освоения дисциплины «Физика высоких плотностей энергии» является изучение экстремальных состояний вещества в природе, способов получения экстремальных состояний в различных физических процессах, а также различных подходов для
моделирования экстремальных состояний.
Задачами данного курса являются:





изучение классификации экстремальных состояний;
изучение экстремальных состояний в природе;
изучение способов получения высоких плотностей энергии;
получение представлений о практических приложениях экстремальных состояний вещества, в том числе в действующих и перспективных энергоустановках;
получение представлений о современных возможностях моделирования экстремальных
состояний вещества.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП АСПИРАНТУРЫ
Дисциплина «Физика высоких плотностей энергии» относится к вариативной части
цикла Б.1.В.ОД.1 кода УЦ ООП и принадлежит к типу «b» по характеру освоения, т.е. должна
быть освоена аспирантом обязательно, но не обязательно в период обучения, отмеченный в базовом учебном плане.
3
3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Освоение дисциплины «Физика высоких плотностей энергии» направлено на формирование следующих универсальных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций:
а) универсальные (УК):
 способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений,
генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том
числе в междисциплинарных областях (УК-1)
 готовность участвовать в работе российских и международных исследовательских
коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3).
 способность планировать и решать задачи собственного профессионального и
личностного развития (УК-5).
б) общепрофессиональные (ОПК)
 способность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий (ОПК-1)
в) профессиональные (ПК)
 способность к самостоятельному проведению научно-исследовательской работы и получению научных результатов, удовлетворяющих установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по направленности «Теплофизика и теоретическая теплотехника» (ПК-1)
4. КОНКРЕТНЫЕ ЗНАНИЯ, УМЕНИЯ И НАВЫКИ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины «Физика высоких плотностей энергии» обучающийся должен:
1. Знать:
 классификацию экстремальных состояний;
 методы получения экстремальных состояний с использованием ударных волн;
 особенности состояний вещества, получаемых с помощью воздействия мощных лазерных импульсов, пучков электронов и ионов и мощного импульса электрического тока;
 параметры современных уникальных отечественных и зарубежных установок для получения экстремальных состояний вещества;
 возможности применения экстремальных состояний в современной энергетике.
2. Уметь:
 изображать фазовую диаграмму плотность-температура с указанием различных типов
экстремальных состояний вещества;
 проводить оценки для получения параметров вещества за фронтом ударных волн;
 проводить анализ состояний вещества, получаемых в различных экспериментах, на фазовой диаграмме.
3.
Владеть:
 навыками анализа ударно-волновых экспериментов;
 представлениями о теоретическом и полуэмпирическом описании неидеальных сред;
 представлениями практическом использовании экстремальных состояний в современных
и перспективных энергоустановках;
4
 представлениями о современных возможностях численного моделирования для изучения
экстремальных состояний вещества.
5. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Структура дисциплины
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
№ темы и название
Количество
часов
1. Теоретические методы изучения экстремальных состояний; экстремальные состояния в природе
65
2. Экспериментальные методы изучения экстремальных состояний
68
3. Практическое применение экстремальных состояний в энергетике и
численное моделирование экстремальных состояний
59
ВСЕГО (часов)
192
Вид занятий
Лекции:
№
п.п.
Темы
Трудоёмкость
в зач. ед.
(количество
часов)
1
Вывод уравнений газовой динамики
5
2
Вязкость и теплопроводность
5
3
Кинетическое уравнение и его связь с гидродинамикой
5
4
Гиперболические системы квазилинейных уравнений
7
5
Ударные волны и уравнения Гюгонио
5
6
Плоское изоэнтропическое течение
5
7
Центрированная волна разрежения
6
8
Задача о распаде произвольного разрыва
6
9
Детонация в газах
6
10
Структура фронта ударной волны
6
11
Неустойчивости в течениях газов
5
12
Двумерное стационарное течение
5
ВСЕГО (часов)
66 часов
5
Лабораторные занятия: нет
Самостоятельная работа:
№ п.п.
Темы
Трудоёмкость
(количество часов)
1
- изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из
лекций, результаты контролируются преподавателем на
лекционных занятиях, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной
программой, методические пособия.
40 часов
2
- решение задач по заданию преподавателя– решаются
задачи, выданные преподавателем по итогам лекционных занятий и сдаются в конце семестра, используются
конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, а также сборники задач,
включая электронные, учебно-методические пособия.
86 часов
3
-подготовка к зачету и экзамену
ВСЕГО (часов)
24 часа
150 часов
6
Содержание дисциплины
№ Название
п/п модулей
1
I
Теоретические методы изучения экстремальных
состояний;
экстремальные
состояния
в природе
2
3
4
5
II
Экспериментальные методы изучения экстремальных
состояний
Разделы и
темы лекционных
занятий
Вывод
уравнений
газовой динамики
Содержание
Общий анализ фазовой диаграммы.
Квантовомеханические модели твердого тела. Модели жидкого состояния.
Термодинамика плазмы. Фазовые переходы.
Вязкость и
Полуэмпирические способы опитеплопросания термодинамики неидеальных
водность
сред. Квазигармоническое приближение.
Уравнение
состояния
МиГрюнайзена. Эффекты ангармонизма.
Вклад свободных электронов. Плавление. Упрощенные уравнения состояния.
Фазовые границы.
КинетичеКосмические исследования. Строеское урав- ние планет-гигантов. Неидеальная
нение и его плазма звезд. Противометеоритная засвязь
с щита космических аппаратов и Земли.
гидродинамикой
ГипербоЯдерная материя. Понятие о кварлические
ках и глюонах. Кварк-глюонная плазма,
системы
деконфайнмент кварков. Предполагаеквазилимые фазовые переходы в кваркнейных
глюонной плазме, аналогии с электроуравнений магнитной плазмой.
Ударные
Статические и динамические метоволны
и ды генерации экстремальных состояуравнения
ний. Сосуды высокого давления. АлГюгонио
мазные наковальни. Электрический
взрыв проводников. Адиабатическая
труба. Сжатие магнитным полем. Пинчи. Изэнтропическое сжатие. Ударноволновое сжатие.
Объем
АудиСамоторная
стояработа тельная
(зачетработа
ные еди- (зачетниные
цы/часы) единицы/час
ы
5
10
5
10
5
11
7
12
5
12
7
Плоское
изоэнтропическое
течение
6
Центрированная
волна разрежения
7
Задача о
распаде
произвольного разрыва
8
9
10
11
12
III
Практическое применение
экстремальных
состояний
в энергетике
и
численное
моделирование экстремальных
состояний
Детонация
в газах
Ударноволновые методы исследования. Метод торможения. Ударные
адиабаты веществ-эталонов. Метод отражения. Ударное сжатие пористых образцов. Квазиизэнтропическое ударное
сжатие. Измерение термодинамики
ударно-сжатого вещества. Температурные регистрации. Изэнтропическое
расширение.
Экспериментальные способы генерации ударных волн. Ударные трубы.
Плоские метательные системы. Кумулятивные метательные устройства.
Сферические и конические системы.
Одно- и двухступенчатые легкогазовые
пушки. Электрические пушки. Рельсотроны.
Сверхвысокие давления. Мощные
подземные взрывы. Проблема выбора
эталона. Новые методы абсолютных
регистраций. Лазерная генерация ударных волн. Пучки релятивистских электронов, тяжелых и легких ионов.
Экстремальные состояния в энергетике. Управляемый термоядерный
синтез с инерционным удержанием
плазмы. Взрывные МГД-генераторы.
Импульсные МГД-генераторы на горении твердых топлив. Мощные источники СВЧ излучения. Имитация ударов
молнии. Поиск полезных ископаемых.
Структура
фронта
ударной
волны
Проблемы безопасности в энергетике.Ядерная энергетика. Водородные
и газовые взрывы. Переход горения в
детонацию. Взрывная прочность защитных конструкций.
НеустойчиМатематическое
моделирование
вости в те- импульсных процессов.Многомерная
чениях га- газодинамика с учетом уравнения созов
стояния,
кинетики,
транспортных
свойств и физико-химических превращений.
Расчет
на
массивнопараллельных ЭВМ.
Двумерное
стационар-
Первопринципные методы расчета
различных свойств экстремальных со-
5
13
6
10
6
11
6
11
6
10
5
8
5
8
8
ное течение стояний. Метод Томаса-Ферми, Хартри-Фока-Слэтера, метод функционала
плотности, метод квантовой молекулярной динамики, квантовый метод
Монте-Карло.
6. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
№
п/
п
1
2
3
4
Вид занятия
Форма проведения занятий
лекция
Изложение теоретического материала
интерактивная лекция
лекция
Изложение теоретического материала с помощью презентаций
Решение задач по заданию (индивидуальному где требуется) преподавателя – готовится ответы на вопросы, выданные (индивидуально и коллективно) преподавателем в
процессе лекционных занятий и обсуждаются с участием всех слушателей, используются конспект (электронный) лекций,
учебники, рекомендуемые данной программой, а также учебно-методические пособия
Подготовка к применению полученных знаний в НИР студента, подготовка к экзамену
самостоятельная работа студента
Цель
получение теоретических знаний по дисциплине
повышение степени понимания материала
осознание связей между
теорией и практикой, а
также взаимозависимостей разных дисциплин
повышение степени понимания материала
7. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,
ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Контрольно-измерительные материалы
Перечень контрольных вопросов для сдачи экзамена.
1. Фазовая диаграмма состояний вещества плотность-температура.
2. Параметры, характеризующие экстремальные состояния вещества: параметр неидеальности, параметр вырождения.
3. Неидеальная плазма: основные характеристики и примеры.
4. Квантово-статистические модели вещества.
5. Реальные и гипотетические фазовые переходы при высоких давлениях и температурах.
6. Статические методы генерации высоких давлений: алмазные наковальни и сосуды высокого давления.
7. Методы исследования экстремальных состояний с помощью ударных волн: уравнения
Гюгонио, задача о распаде разрыва.
8. Квазиизоэнтропическое сжатие, температурные регистрации в ударно-волновых процессах, изоэнтропическое расширение.
9. Экспериментальные методы генерации ударных волн: ударная труба, кумулятивные метательные устройства, сферические и конические системы.
9
10. Способы получения сверхвысоких давлений. Подземные ядерные взрывы, метание
фольг с помощью магнитного давления, генерация ударных волн с помощью лазеров.
11. Квазигармоническое приближение, уравнение состояния Ми-Грюнайзена.
12. Вклад электронов в уравнение состояния, электронное давление, электронная теплоемкость.
13. Управляемый термоядерный синтез с инерционным удержанием плазмы.
14. Взрывные и импульсные МГД-генераторы на горении твердых топлив.
15. Строение планет-гигантов. Неидеальная плазма в космосе.
16. Противометеоритная защита космических аппаратов и Земли.
17. Безопасность ядерной энергетики, возможные сценарии развития аварий.
18. Водородные и газовые взрывы на энергоустановках, переход горения в детонацию.
19. Современные возможности численного моделирования процессов в энергоустановках с
учетом реальных физических свойств.
20. Первопринципные методы расчета различных свойств вещества в экстремальных состояниях: достижения и проблемы.
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор, звуковая система)
Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных
1. База данных ударно-волновых экспериментов, http://www.ihed.ras.ru/rusbank/
9. НАИМЕНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
Учебным планом не предусмотрены
10. ТЕМАТИКА И ФОРМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАБОТЫ
Учебным планом не предусмотрены
11. ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ РАБОТ
Учебным планом не предусмотрены
12. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература.
1. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П.. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматлит. Изд. 3., 656 с., 2008.
2. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1: Учебное пособие для вузов. — М.: Физматлит, 2010. — 616 с.
3. Фортов В. Е. Экстремальные состояния вещества. М. : Физматлит, 304 с., 2009.
Дополнительная литература.
1. Физика высоких плотностей энергии /Под ред. П.Кальдиролы, Г.Кнопфеля. М.: Мир,
1974.
2. Высокоскоростные ударные явления /Под ред. Р.Кинслоу. М.: Мир, 1974.
3. Альтшулер Л.В. УФН, 1965, т.85, с.197.
4. Фортов В.Е. УФН, 1982, т.138, с.361.
5. Бушман А.В., Фортов В.Е. УФН, 1983, т.140, с.177.
6. Анисимов С.И., Прохоров А.М., Фортов В.Е. УФН, 1984, т.142, с.395.
7. Бушман А.В., Канель Г.И., Ни А.Л., Фортов В.Е. Теплофизика и динамика интенсивных
импульсных воздействий. Черноголовка: ОИХФ АН СССР,1989.
Программу составил
________________академик, д.ф.–м.н.
«___»__________2015 г.
В.Е. Фортов,