Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра теоретической физики и компьютерного моделирования
Учебно-методический комплекс дисциплины
ТЕПЛОТЕХНИКА
Специальность 260901 «Технология швейных изделий»
Согласовано: Учебно-методическая комиссия факультета «____» __________________ 2011 г. ________________________ | Рекомендовано кафедрой: Протокол № ______ «____» ____________________ 2011 г. Зав. кафедрой ______________ |
ПГПУ 2011
Автор-составитель:
д. ф.-м. н., заведующий кафедрой теоретической физики и компьютерного моделирования ПГГПУ
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Теплотехника» составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности «Технология швейных изделий».
Дисциплина входит в федеральный компонент цикла общепрофессиональных дисциплин и является обязательной для изучения.
Согласовано:
декан физического факультета
Оглавление
I. Рабочая программа дисциплины.. 4
1. Цель и задачи изучения дисциплины.. 4
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины...………………...5
3. Объем дисциплины.. 5
4. Содержание курса. 6
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.. 10
II. Содержание и порядок проведения входного и текущего контроля,
промежуточной аттестации……..……..……………………………………...…12
I. Рабочая программа дисциплины
1. Цель и задачи изучения дисциплины
Курс «Теплотехника» излагается после курса общей физики и математики и его главные задача – с одной стороны, углубление и детализация ранее полученных знаний по термодинамике, а с другой – создание фундаментальной базы знаний о технологических приложениях термодинамических принципов. Современная термодинамика занимает особое место в естествознании, в частности является теоретической основой всей современной энергетики. Теплоэнергетика, все типы двигателей, начиная от паровых турбин и кончая авиационными и ракетными двигателями, в своей теории полностью базируются на положениях термодинамики.
В связи с этим формируются главные требования, предъявляемые к курсу «Теплотехника». Первое из них заключается в мировоззренческой и методологической направленности курса. Необходимо сформировать у студентов единую, стройную, логически непротиворечивую термодинамическую картину окружающего нас мира природы. Во - вторых, в рамках единого подхода необходимо рассмотреть все основные явления и процессы, происходящие в природе с точки зрения термодинамики, установить связь между ними, вывести основные законы и получить их выражение в виде математических уравнений. В-третьих, по мере изложения необходимо вводить элементы теплотехники. Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.
Задачами дисциплины являются
· освоение знаний о термодинамических явлениях; величинах, характеризующих эти явления; законах, которым они подчиняются; методах научного познания природы и формирование на этой основе представлений о физической картине мира; знакомство с основами технической термодинамики как одной из важнейших прикладных физических теорий;
· применение знаний для объяснения явлений природы, свойств вещества, принципов работы термодинамических устройств, решения физических задач по термодинамике;
· организация деятельности, направленной на применение полученных знаний в учебной деятельности по физике вообще и термодинамике в частности;
В результате изучения курса студент должен:
знать:
· основные законы термодинамики;
· условия применимости законов термодинамики в том или ином случае;
· принципа действия теплосиловых установок и других теплотехнических установок, применяемых в различных отраслях народного хозяйства
уметь:
· строить термодинамическую модель физического явления;
· применять законы термодинамики для решения конкретных задач;
· применять методы эффективного использования теплоты и энергосберегающих технологий в народном хозяйстве
владеть:
· навыками работы с литературой по термодинамике и смежным дисциплинам;
· навыками математической формулировки физических проблем;
иметь представление:
· о роли и месте технической термодинамики и теплотехники в физике и ее приложениях.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
ОПД. Ф.02.05. | Теплотехника: предмет теплотехники; связь с другими отраслями знаний; основные понятия и определения; термодинамика: смеси рабочих тел, теплоемкость, законы термодинамики, термодинамические процессы и циклы, реальные газы и пары, термодинамика потоков, термодинамический анализ теплотехнических устройств, фазовые переходы, химическая термодинамика; теория теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача, интенсификация теплообмена; основы массообмена; тепломассообменные устройства; топливо и основы горения; теплогенерирующие устройства, холодильная и криогенная техника; применение теплоты в отрасли; охрана окружающей среды; основы энергосбережения. вторичные энергетические ресурсы; основные направления экономии энергоресурсов. |
3. Объем дисциплины
3.1. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы | Количество часов | |
Очная | ||
Номера семестров: | 7 | |
Аудиторные занятия (всего): В том числе: | 34 | |
1. | Лекции (Л) | 16 |
2. | Практические занятия (ПЗ) | 18 |
Самостоятельная работа студентов, в т. ч.: | 34 | |
1. | Конспект в рабочей тетради | + |
2. | Решение стандартных упражнений | + |
3. | Решение проблемных задач | + |
Другие виды самостоятельной работы | + | |
Общая трудоемкость: | 68 | |
Входной контроль (вид, № семестра) | тест – 7 | |
Текущий контроль (вид, № семестра) | Контрольная работа – 7 | |
Форма промежуточной аттестации | Зачет – 7 |
3.2. Распределение часов по темам и видам учебной работы
№ | Наименование раздела (темы) | Количество часов | ||||
Всего | СРС | Аудит. занятия | В том числе | |||
Лекций | Практ. Занят. | |||||
1. | Тема 1. Предмет теплотехники, ее практическое значение для производства, связь с другими отраслями знаний. Предмет термодинамики, предыстория ее развития и значение для современной теплотехники. Основные этапы развития теплотехники. Термодинамическая система: основные определения и классификации. Смеси рабочих тел. Термодинамические параметры простой системы: температура, давление объем. Методы и единицы измерения. Связь с микроскопическими величинами. Шкала Кельвина. Абсолютный ноль. Примеры термодинамических параметров непростых систем. | 4 | 2 | 2 | 2 | - |
2. | Тема 2. Уравнения состояния. Параметры состояния термодинамической системы. Уравнение состояния рабочего тела. Термодинамические процессы и циклы. Квазистатические процессы. Обратимые и необратимые процессы. Физические ограничения термодинамической теории. Реальные газы и пары. Понятие термодинамического равновесия. Уравнение состояния идеального газа. Основное термодинамическое тождество. Термодинамические потенциалы и их смысл. Внутренняя энергия. Теплообмен. Энтальпия. Свободная энергия. Термодинамический потенциал Гиббса. Собственные координаты термодинамических потенциалов. Соотношения Максвелла. Уравнения Гиббса-Гельмгольца. | 8 | 4 | 4 | 2 | 2 |
3. | Тема 3. Законы термодинамики. Первое начало термодинамики. Работа и теплота. Сущность закона. Различные формулировки закона. Аналитическое выражение закона для открытых и закрытых систем. Определение работы и теплоты через термодинамические параметры состояния. РV – диаграммы. Частные случаи. Теплоёмкость. Массовая, объемная и молярная теплоемкость. Теплоемкость при постоянном объеме и давлении. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Теплоемкость идеального газа. Связь теплоемкости газа с числом степеней свободы молекул. Уравнение Майера. Политропический процесс. Уравнение политропы и его частные случаи. | 10 | 6 | 4 | 2 | 2 |
4. | Тема 4. Второе начало термодинамики. Основные формулировки закона. Аналитическое выражение закона. Термодинамическая шкала температур и её тождественность идеально-газовой шкале. Энтропия. ТS – диаграммы. Частные случаи. Вечный двигатель первого и второго рода. Циклические процессы. Преобразование теплоты в работу. Нагреватель, рабочее тело, холодильник. Коэффициент полезного действия. Тепловой двигатель и холодильная машина. Прямой цикл Карно и его КПД. Обратный цикл Карно. Тепловой насос. Коэффициент эффективности холодильных камер. | 10 | 4 | 6 | 2 | 4 |
5. | Тема 5. Реальные газы. Качественные особенности реальных газов. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса. Критические параметры. Изотермы реального газа. Опыт Эндрюса. Пары. Характерные состояния воды и водяного пара. Термодинамики потоков. Получение пара. Характерные состояния воды и водяного пара. TS диаграмма состояний воды и водяного пара. Термодинамические свойства воды и водяного пара. SH диаграмма состояний воды и водяного пара. Термодинамические свойства жидкостей. Фазовые переходы. Термодинамические свойства паров. | 6 | 2 | 4 | 2 | 2 |
6. | Тема 6. Двигатель внутреннего сгорания. Принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания. Циклы с изохорным и изобарным подводом теплоты. Цикл со смешанным подводом теплоты. Теория теплообмена. Теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача. Интенсификация теплообмена. Основы массообмена. Тепломассообменные устройства. Изображение циклов в PV и TS диаграммах. Термодинамические и эксергетические КПД циклов двигателей внутреннего сгорания. Сравнительный анализ термодинамических циклов. Химическая термодинамика. Топливо и основы горения. Теплогенерирующие устройства. Холодильная и криогенная техника. Термодинамический анализ теплотехнических устройств. Применение теплоты в отрасли. | 18 | 10 | 8 | 2 | 6 |
7. | Тема 7. Воздушно-реактивные двигатели. Принцип действия бескомпрессорного воздушно-реактивного двигателя. Цикл бескомпрессорного ВРД, термический и эксергетический КПД цикла. Компрессорный ВРД. Термодинамический цикл компрессорного ВРД, определение термодинамического КПД цикла | 4 | 2 | 2 | 2 | - |
8. | Тема 8. Новые способы преобразования энергии. Охрана окружающей среды. Основы энергосбережения. Прямые преобразователи энергии. Топливные элементы. Солнечные батареи. Термоэлектрические генераторы. Термоэмиссионные преобразователи. Магнитогидродинамические генераторы. Вихревой эффект. Вторичные энергетические ресурсы. Основные направления экономии энергоресурсов. | 8 | 4 | 4 | 2 | 2 |
Итого | 68 | 34 | 34 | 16 | 18 |
4. Содержание курса.
Содержание лекционных занятий
1 2 3 4 5 6 7 8 | Предмет теплотехники, ее практическое значение для производства, связь с другими отраслями знаний. Предмет термодинамики, предыстория ее развития и значение для современной теплотехники. Основные этапы развития теплотехники. Термодинамическая система: основные определения и классификации. Смеси рабочих тел. Термодинамические параметры простой системы: температура, давление объем. Методы и единицы измерения. Связь с микроскопическими величинами. Шкала Кельвина. Абсолютный ноль. Примеры термодинамических параметров непростых систем. Уравнения состояния. Термодинамические процессы и циклы. Квазистатические процессы. Обратимые и необратимые процессы. Физические ограничения термодинамической теории. Реальные газы и пары. Понятие термодинамического равновесия. Уравнение состояния идеального газа. Основное термодинамическое тождество. Термодинамические потенциалы и их смысл. Внутренняя энергия. Теплообмен. Энтальпия. Свободная энергия. Термодинамический потенциал Гиббса. Собственные координаты термодинамических потенциалов. Соотношения Максвелла. Уравнения Гиббса-Гельмгольца. Законы термодинамики. Первое начало термодинамики. Работа и теплота. Сущность закона. Различные формулировки закона. Аналитическое выражение закона для открытых и закрытых систем. Определение работы и теплоты через термодинамические параметры состояния. РV – диаграммы. Частные случаи. Теплоёмкость. Массовая, объемная и молярная теплоемкость. Теплоемкость при постоянном объеме и давлении. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Теплоемкость идеального газа. Связь теплоемкости газа с числом степеней свободы молекул. Уравнение Майера. Политропический процесс. Уравнение политропы и его частные случаи. Второе начало термодинамики. Основные формулировки закона. Аналитическое выражение закона. Термодинамическая шкала температур и её тождественность идеально-газовой шкале. Энтропия. ТS – диаграммы. Частные случаи. Вечный двигатель первого и второго рода. Циклические процессы. Преобразование теплоты в работу. Нагреватель, рабочее тело, холодильник. Коэффициент полезного действия. Тепловой двигатель и холодильная машина. Прямой цикл Карно и его КПД. Обратный цикл Карно. Тепловой насос. Коэффициент эффективности холодильных камер. Реальные газы. Качественные особенности реальных газов. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы газа Ван-дер-Ваальса. Критические параметры. Изотермы реального газа. Опыт Эндрюса. Пары. Характерные состояния воды и водяного пара. Термодинамики потоков. Получение пара. Характерные состояния воды и водяного пара. TS диаграмма состояний воды и водяного пара. Термодинамические свойства воды и водяного пара. SH диаграмма состояний воды и водяного пара. Термодинамические свойства жидкостей. Фазовые переходы. Термодинамические свойства паров. Двигатель внутреннего сгорания. Принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания. Циклы с изохорным и изобарным подводом теплоты. Цикл со смешанным подводом теплоты. Теория теплообмена. Теплопроводность, конвекция, излучение, теплопередача. Интенсификация теплообмена. Основы массообмена. Тепломассообменные устройства. Изображение циклов в PV и TS диаграммах. Термодинамические и эксергетические КПД циклов двигателей внутреннего сгорания. Сравнительный анализ термодинамических циклов. Химическая термодинамика. Топливо и основы горения. Теплогенерирующие устройства. Холодильная и криогенная техника. Термодинамический анализ теплотехнических устройств. Применение теплоты в отрасли. Воздушно-реактивные двигатели. Принцип действия бескомпрессорного воздушно-реактивного двигателя. Цикл бескомпрессорного ВРД, термический и эксергетический КПД цикла. Компрессорный ВРД. Термодинамический цикл компрессорного ВРД, определение термодинамического КПД цикла. Новые способы преобразования энергии. Охрана окружающей среды. Основы энергосбережения. Прямые преобразователи энергии. Топливные элементы. Солнечные батареи. Термоэлектрические генераторы. Термоэмиссионные преобразователи. Магнитогидродинамические генераторы. Вихревой эффект. Вторичные энергетические ресурсы. Основные направления экономии энергоресурсов. |
Содержание практических занятий
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | Параметры состояния термодинамической системы. Уравнение состояния рабочего тела. Первое начало термодинамики. Теплоемкость рабочего тела. Второе начало термодинамики. Циклы термодинамических процессов идеального газа. Расчет термодинамических процессов реальных газов с помощью диаграмм. Циклы тепловых двигателей. Циклы холодильных машин. Теплопроводность при стационарном и нестационарном режимах. Расчет элементов системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Тепловой баланс котельных агрегатов. |
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Рекомендуемая литература
Основная
1. Сивухин курс физики [Текст] : учеб. пособие для студентов физ. спец. вузов. Т. II : Термодинамика и молекулярная физика / . - 4-е изд., стер. - М. : ФИЗМАТЛИТ : Изд-во МФТИ, 20с.
Дополнительная
1. Техническая термодинамика / , , // М: МЭИ, 2008.
2. Телеснин физика. СПб.: Лань, 20с.
Интернет-ресурсы:
1. http://www. *****/teplotehnika/
2. http://*****/
3. http://fn. *****/phys/bib/physbook/tom2/content. htm
Методические рекомендации преподавателю и студентам
Главное внимание в преподавании курса «Теплотехника» необходимо сосредоточить на овладении студентами общих идей и понятий технической термодинамики и приобретении навыков, необходимых для решения стандартных задач. Изучение дисциплины осуществляется в тесной взаимосвязи с предшествующими общетехническими дисциплинами: физикой и высшей математикой.
Самостоятельная работа студента необходима для более глубокого усвоения курса «Теплотехника» и должна носить систематический характер. Уровень результатов самостоятельной работы контролируется и определяется преподавателем в ходе опросов и при решении задач на практических занятиях и проверке задач для самостоятельного решения и учитывается при итоговой аттестации студента – зачете.
II. Содержание и порядок проведения входного и текущего контроля, промежуточной аттестации
В качестве входного контроля используется опрос студентов. Формой текущего контроля является проверка выполнения домашнего задания в начале каждого занятия. Целью проверочной работы и опросов является выяснение усвоения знаний, умение применять законы теплотехники к конкретным физическим ситуациям. Для организации самостоятельной работы студентов проводятся консультации, где студенты могут задать вопросы преподавателю и разобрать типичные ошибки при решении задач. Промежуточная аттестация проводится в форме зачета.
Перечень вопросов к зачету
1. Термодинамическая система: основные определения и классификации.
2. Основные параметры термодинамического состояния.
3. Термическое уравнение состояния. Примеры.
4. Термодинамический потенциал внутренняя энергия.
5. Термодинамический потенциал энтальпия.
6. Работа в простой системе.
7. Первое начало термодинамики.
8. Графическое изображение процессов простой системы.
9. Теплоемкость.
10. Энтропия.
11. Прямой цикл Карно.
12. Обратный цикл Карно.
13. Изменение энтропии в неравновесных процессах.
14. Модель реального газа – газ Ван-дер-Ваальса.
15. График изотермы газа Ван-дер-Ваальса.
16. Основные понятия теории теплообмена.
17. Теплопроводность.
18. Двигатели внутреннего сгорания.
19. Газотурбинные установки.
20. Реактивные двигатели.
21. Возобновляемые источники энергии.
