Тепло. Термодинамика

Представлены и решены задачи, относящиеся к гидродинамике, теплообмену и горению в паровых котлах. Обсуждаются математические постановки задач, этапы их решения и алгоритмы. В большинстве случаев результаты получены с использованием ЭВМ. Применены современные методы вычислений, приведены необходимые сведения из соответствующих разделов математики.

Книга посвящена проблемам влияния внешней флуктуирующей среды на процессы возникновения статистически когерентных состояний в нелинейных динамических системах, для которых развитие методов статистического анализа дает качественное расширение возможности анализа реальных явлений и их прогнозирования. В книге исследуются процессы самоорганизации самоподобных систем, происходящие по принципам фазовых переходов, обусловленным флуктуационным воздействием внешних параметров, характеризующих внешнюю среду. Изучается качественная перестройка динамики системы при обобщенных процессах диффузии. Приведены методы описания и анализа аномальных процессов переноса. Развиваются статистические подходы для представления неравновесных переходов в самоподобных системах при скоррелированном воздействии случайных источников. Представлены самосогласованные модели формирования лавин в процессе самоорганизуемой критичности. Рассматриваемые задачи решаются аналитически и путем численного моделирования.

Книга представляет собой лекции, прочитанные Г.А. Лоренцом в 1912 г. в College de France. Она может рассматриваться как доступное и глубокое введение в статистическую механику. Разбираются также вопросы обоснования термодинамики, теория броуновского движения и канонических ансамблей.

В книгу вошли вопросы термодинамики, которые в совокупности образуют то, что принято называть «классической термодинамикой». Достаточно подробно изложены первый и второй законы термодинамики и их применение к бинарным системам, адиабатическим процессам, смешанным кристаллам и пр. Книга написана крупнейшим физиком-теоретиком конца прошлого столетия и, несомненно, вызовет интерес широкого круга читателей: от студентов и аспирантов до специалистов-математиков, физиков и историков науки.

В книге развиваются идеи Гиббса и Пуанкаре о тепловом равновесии механических систем. Хотя идеи Гиббса широко известны, многие из поставленных им проблем не решены до сих пор. Наоборот, глубокие результаты Пуанкаре по кинетике оказались невостребованными и вообще неизвестными специалистам по статистической механике. Рассматриваемый в настоящей книге круг вопросов группируется вокруг трех связанных друг с другом тем: слабая сходимость вероятностных мер (плотности которых - решения уравнения Лиувилля), иерархия хаотичности динамических систем Гамильтона, теория возмущений ансамбля слабо взаимодействующих подсистем. Полученные результаты позволяют лучше понять природу необратимого поведения термодинамических систем, дать новую интерпретацию второго начала термодинамики о росте энтропии, а также дать строгий вывод канонического распределения Гиббса, не опирающийся на эргодическую гипотезу. Текст книги структурирован в виде очерков: четыре главы в значительной степени независимы друг от друга. К каждой из глав имеется комментарий и библиография. Добавления посвящены свойствам инвариантных мер с гладкой плотностью, условиям существования дополнительных законов сохранения - первых интегралов уравнений Гамильтона, а также явлению диффузии в нелинейных динамических системах.

Предлагаемая вниманию читателя книга А. Зоммерфельда посвящена изложению основ термодинамики и статистической физики. Она является пятым, хронологически последним, томом серии «Лекции по теоретической физике» и вышла уже после смерти автора. Зоммерфельд не успел закончить подготовку книги к печати, и это было выполнено Бонном и Мейкснером. По сравнению с другими томами, которые, как правило, содержали изложение избранных вопросов данной дисциплины, в настоящей книге круг рассматриваемых проблем отличается значительно большей полнотой. Как обычно для классических курсов термодинамики, автор ведет изложение аксиоматическим путем, начиная с формулировки «начал»; статистическое обоснование дается лишь значительно позднее. Для данной книги, как и для других томов этого курса, характерно стремление к максимальной конкретизации получаемых результатов.

Книга представляет собой первую попытку изложения основных положений термодинамики необратимых процессов в форме тематически подобранных задач с решениями и указаниями. В нее включено более ста задач по общим и специальным вопросам линейной и нелинейной термодинамики необратимых процессов, по вопросам, охватывающим широкий круг явлений переноса энергии, массы и импульса в термодинамических системах, осложненных фазовыми превращениями, вязким и пластическим движением среды, диссипацией энергии в газах и плазме, релаксационными явлениями и химическими реакциями в магнитном поле.

Монография представляет собой обширное и доступное введение в современную теорию термодинамики, которая выходит за пределы классической теории неравновесных процессов. Авторами представлены такие направления современной неравновесной термодинамики, как расширенная термодинамика, теория с внутренними переменными, рациональная термодинамика, термодинамика конечного времени, мезоскопическая термодинамика, гамильтоновая неравновесная термодинамика, теория информации и так далее. Цель монографии - показать, что результаты, полученные в рамках изучения термодинамики, могут успешно использоваться и в других областях знаний: механике сплошных сред, статистической физике, ядерной физике, космологии, химии, реологии, биологии. По сравнению с предыдущими это издание существенно переработано, в частности, более четко структурировано. Освещая важнейшие достижения последних лет в данной области, авторы пересматривают такие фундаментальные понятия как энтропия, температура, давление, химический потенциал; ставят новые исследовательские задачи. В третье издание включено более 100 оригинальных задач с подробными решениями, каждая глава снабжена актуальным списком литературы по расширенной неравновесной динамике и смежным областям исследования.

Монография посвящена изложению основ термодинамической теории биологической эволюции и старения живых существ и рассчитана на читателя с естественнонаучным университетским образованием. Книга может служить учебным пособием для студентов физиков, химиков, биологов, биогеронтологов, геронтологов, медиков, социологов и может стать настольной книгой любого естествоиспытателя, интересующегося проблемами жизни как явления.

В книге дается краткое и доступное изложение фундаментальной теории фазовых превращений и приводятся области применения теории в современной практике. Данная теория используется в физике при современных разработках по изучению конденсации атомов Бозе - Эйнштейна, высокотемпературной сверхпроводимости и вихрей в сверхпроводниках, в то время как в других областях она применяется для исследования явлений «малых миров» и безмасштабных систем (таких как фондовая биржа или Интернет). Совместный анализ этих явлений позволяет выявить связь между ними и провести аналогию с общей теорией фазовых превращений.

Монография американского физика-теоретика Джосайи Вилларда Гиббса (J. Willard Gibbs) «Основные принципы статистической механики» давно уже стала классической книгой. Первое ее издание, ныне ставшее библиографической редкостью, было опубликовано в 1902 г. В 1905 г., уже после смерти ее автора, вышел ее немецкий перевод в обработке Е, Zermelo). Первое американское издание было перепечатано лишь в 1928 г. во втором томе полного собрания сочинений Гиббса). Это издание было повторено в 1934 г. и с этого издания и сделан предлагаемый перевод. Монография Гиббса имела огромное значение для развития теоретической физики, в частности, для развития термодинамических представлений и их приложения к самым разнообразным явлениям. Поэтому знакомство с ней необходимо для каждого физика-теоретика. Однако ее значение выходит далеко за пределы собственно теоретической физики и потому она интересна и не только для физиков-теоретиков. В своей монографии Гиббс делает значительный шаг вперед в развитии идей статистической физики, зародившейся в работах Клаузиуса, Больцмана и Максвелла, превращая ее в последовательную физическую концепцию. Гиббс исследует вопрос о соотношении между механическими и термодинамическими концепциями и разрабатывает общий, мощный метод, позволяющий, по меньшей мере принципиально, исследовать все важнейшие задачи данного цикла.

В предлагаемом курсе излагаются основы равновесной статистической физики. Курс состоит из двух частей: в первой части рассматривается классическая статистическая Физика, во второй - квантовая.

«Путеводитель Прандтля по гидроаэродинамике», впервые появившийся в 1942 году, выдержал за рубежом 10 изданий. До настоящего времени он не утратил своей актуальности, широко цитируется в научной литературе, однако был практически недоступен отечественному читателю. Предлагаемое издание - это перевод последнего, 10-го издания фундаментального труда Людвига Прандтля (2001), которое было значительно переработано и дополнено его учениками с учетом новейших разработок в этой области. Оно ставит своей целью провести читателя основательно проложенным путем по всем областям гидроаэродинамики.

В статье предложена краткая периодизация эволюции важной части физической науки – термодинамики, история которой началась со знаменитой работы С. Карно (1824 год) и к настоящему времени насчитывает почти 200 лет. Предложенная периодизация является, конечно, достаточно условной и состоит, на взгляд автора, из восьми – десяти этапов постоянно сокращающейся длительности – от 35–45 лет в первое столетие развития термодинамики до 25 – 10 лет во второе столетие. Основная цель построения подобной периодизации состояла том, чтобы сопоставить этапы эволюции и развития термодинамики как науки с ее отражением в преподавании физики в вузах – как на уровне общей, так и теоретической физики. Показано, что основное содержание многих современных учебников охватывает лишь часть указанных этапов и нуждается в определенной модернизации – например, даже в столь традиционном вопросе как эффективность тепловой машины для инженерных специальностей вузов.

Представлена учебная лабораторная работа по курсу молекулярной физики и термодинамики, позволяющая на простейшем оборудовании экспериментально определить коэффициент теплоотдачи, энергию излучения и теплоёмкость системы. Это становится возможным в результате более глубокой математической обработки экспериментальных данных – температурной зависимости системы от времени. Приведены экспериментальные графики температурной зависимости и практические вычисления.

Предлагается способ рассмотрения термодинамических свойств сильно вырожденных идеальных квантовых газов (на примере ферми'газа), при изучении физики в вузах инженерно'физического профиля.

В учебном пособии изложены основные принципы теплопередачи и массообмена, используемые при расчетах теплозащиты зданий. Рассмотрены вопросы теплоустойчивости помещения, влажностного режима и воздухопроницаемости. Приведены методические рекомендации по расчету теплового, влажностного и воздушного режимов.

Учебное пособие содержит краткое изложение материала лекций, сводку основных физических соотношений, необходимых для решения задач, и подробно разобранные примеры решения задач. Самостоятельное использование студентами данного учебного пособия позволит улучшить уровень их подготовки по данным разделам курса «Физика».

В учебном пособии изложены теоретические основы равновесной термодинамики, рассмотрены основные физические законы и соотношения, относящиеся к данному разделу физики. Изложение материала сопровождается подробным анализом и решением большого числа задач и примеров.

Методические указания предназначены для выполнения курсовой работы по дисциплинам «Механика жидкости и газа» и «Гидрогазодинамика». Данные методические указания могут быть использованы и при изучении других дисциплин, содержащих раздел «Газодинамика». В методические указания входят следующие темы: – «Адиабатическое движение с трением сжимаемого газа в цилиндрической трубе», – «Адиабатическое движение сверхзвукового потока газа в цилиндрической трубе со скачком уплотнения». Для выполнения заданий приведены варианты исходных данных и методика расчета.

Рассмотрены законы Ома и Джоуля — Ленца в интегральной и дифференциальной (локальной) формах. Изложена методика измерения тепловой мощности электрического нагревателя с помощью калориметра, указан порядок выполнения работы.

Пособие посвящено рассмотрению основных видов теплопереноса, их математическому описанию, количественным характеристикам и методам расчета. Приведен необходимый минимум теоретических сведений. Существенное внимание уделено практической стороне вопроса: в пособии содержатся задачи для самостоятельного решения.

Дан краткий обзор основных понятий и соотношений теории, необходимых для решения задач по разделу «Статистическая физика». Изложена методика решения типовых задач.

Даны краткие сведения о законах теплового излучения и квантовой природе света. Рассмотрена методика экспериментальной проверки закона Стефана–Больцмана. Приведено описание лабораторной установки, порядка выполнения работы и анализа результатов измерений.

Содержится краткий обзор основных понятий и соотношений, необходимых для решения задач по разделу «Термодинамика». Изложена методика решения типовых задач. Даны условия задач, приведены примеры их решения.

Рассмотрены вопросы применения функций чувствительности к различным задачам, возникающим в инженерной практике при проектировании технических систем, описываемых уравнениями в частных производных.

Приведено описание электронных лабораторных работ по курсу «Теория тепломассообмена», даны указания к их выполнению. В большом объеме рассмотрены основные теоретические положения.

Рассмотрено численное моделирование течения воздуха в лабиринте в плоской двумерной постановке с применением программного комплекса Star-CD.

Рассмотрены вопросы тепловых испытаний стержневых космических конструкций. Дано теоретическое обоснование условий испытаний. Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки специалистов «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов» и направлениям подготовки магистров «Материаловедение и технология материалов», «Ракетные комплексы и космонавтика».

Изложены физические основы пневматических систем, широко применяемых в производственных процессах разных отраслей промышленности. Рассмотрены термодинамические процессы изменения состояния сжатого воздуха, являющегося рабочим телом пневматических устройств систем автоматики. Подробно описаны процессы истечения сжатого воздуха через отверстия и насадки, а также процессы заполнения и опорожнения пневматических емкостей постоянного и переменного объемов применительно к работе ресиверов и линейного пневматического привода. Приведены примеры расчета динамических характеристик пневматического привода, в том числе следящего.

Приведено описание электронных лабораторных работ по курсу «Теория тепломассообмена», даны указания к их выполнению. В большом объеме рассмотрены основные теоретические положения.

Приведены краткие теоретические сведения, описания лабораторных установок, порядок выполнения лабораторных работ, контрольные вопросы, а также список рекомендуемой литературы.

Методические указания содержат подробное описание и руководство по выполнению лабораторных работ. Для студентов 3-го и 4-го курсов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по машиностроительным специальностям.

Рассмотрены уравнения тепло- и массопереноса массы при использовании массовых и объемных концентраций. Для студентов, изучающих курс «Теория тепломассообмена».

Цель методических указаний — помочь студентам организовать самостоятельную работу при выполнении домашнего задания. Указания содержат необходимые теоретические сведения, рекомендации к порядку выполнения задания с примером, вопросы для самоконтроля при подготовке к защите, список рекомендуемой литературы.

Приведены формулировки стационарных и нестационарных задач теплопроводности. Рассмотрены основные особенности построения численного решения этих задач в рамках конечно-элементной технологии.

Рассмотрены необходимые для решения задач механики сплошной среды приемы работы с программным комплексом ANSYS. Даны указания к выполнению четырех лабораторных работ по различным направлениям механики сплошной среды.

Описаны основные положения теории конвективного теплообмена и методы интенсификации теплоотдачи. Сформулированы требования к выполнению экспериментальных исследований и оформлению курсовой научно-исследовательской работы.

Дана общая постановка задачи моделирования тепловых полей, рассмотрены возможности применения аналитических и численных методов для исследования тепловых процессов, происходящих в материале, подвергшемуся воздействию концентрированных источников энергии. Особое внимание в пособии уделено численным методам, так как они позволяют учесть зависимость теплофизических свойств материалов от температуры, распределение плотности мощности источника в пятне нагрева, скрытую теплоту фазовых превращений и т. д. Приведены конкретные примеры их применения.

Структурные образования в виде вихрей являются предметом изучения студентами в рамках курса «Аэрогидродинамика». Экспериментально получены распределения температур в конвективном вихре при инверсии радиального градиента температуры вблизи подстилающей поверхности. Обнаружено, что при определенном режиме нагрева подстилающей поверхности вихревая структура ослабляется. Указанный эффект может быть использован для управляющего воздействия на вихревую систему.

Изложены теоретические основы процесса теплопередачи, описание лабораторной установки, порядок проведения работы, методика обработки опытных данных, в том числе на компьютере, подход к анализу полученных результатов.

В сборнике «Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ» опубликованы результаты научных исследований, а также методических и проектно-конструкторских разработок в области прикладных задач теоретической физики, математического моделирования физических процессов, ядерной физики, физики ядерных реакторов, исследований по термоядерному синтезу, электрофизики, физики ускорителей, приборов и техники эксперимента, физики лазеров, гидродинамики, реологии, физики горения и взрыва, физической химии, экологии, материаловедения, безопасности, средств защиты от несанкционированных действий, электроники, радиотехники, оптоэлектроники.

Рассмотрены элементы механики сплошной среды и теории теплопередачи применительно к анализу процессов в высоковольтном электрооборудовании. Описаны основные аналитические и численные методы анализа тепловых полей. Приведен ряд примеров анализа конкретных элементов электрооборудования в виде компьютерного практикума.

Рассмотрены элементы квантовой механики, статистической физики, механики сплошной среды и теории теплопередачи применительно к анализу процессов в высоковольтном электрооборудовании и в аппаратуре больших импульсных токов, сильных и сверхсильных магнитных полей. Разделы учебного пособия снабжены упражнениями и задачами для самоконтроля.

Измерение тепловых потоков (теплометрия) как важнейшая часть теплотехнического эксперимента до настоящего времени не получило должного развития – в первую очередь из-за малой номенклатуры и низкого уровня современных датчиков теплового потока. Большинство разработанных и присутствующих на рынке датчиков предусматривают измерение перепада температуры на вспомогательной стенке с помощью дифференциальных термопар и элементов Пельтье. Эти датчики обладают недостаточным быстродействием и термостойкостью, а также низкотехнологичны. Предлагаемые в качестве средства теплометрии градиентные датчики теплового потока (ГДТП) реализуют поперечный эффект Зеебека: их термоЭДС пропорциональна градиенту температуры, линейно связанному с плотностью теплового потока.

Работа посвящена теоретическим и экспериментальным основам определения комплекса термических и теплофизических свойств жидкостей в калориметре теплового потока. Предложена математическая модель температурных полей теплопроводящего калориметра при точечном нагреве и проведен анализ полей температур в калориметре. Изложены теоретические основы определения и методики измерения комплекса термических и теплофизических свойств. Представлены результаты исследования и обобщения термических (коэффициентов теплового расширения αР и изотермической сжимаемости βТ) и теплофизических свойств (изобарной теплоемкости, коэффициентов температуропроводности и теплопроводности) различных классов жидких органических соединений и водных растворов солей щелочных металлов.

В пособии приведены методические указания к лабораторным работам первой части курса физики. Обучение построено по принципу информационных технологий прямого доступа. Каждое указание содержит 25 вопросов, что позволяет компьютеризировать систему допуска и защиты выполненных работ и способствует обучению инновационным технологиям первых этапов изучения физики. Пособие содержит методические указания к 14 лабораторным работам.

В пособии даны разъяснения основных законов, явлений и понятий классической и релятивистской механики, положения общей теории относительности. Рассмотрены главные вопросы молекулярно-кинетической теории вещества и термодинамики. Учитываются наиболее важные достижения в современной науке и технике, уделяется большое внимание физике различных природных явлений. Анализируется решение физических задач, приводятся задания для самостоятельного выполнения и ответы к ним.

В пособии изложены все разделы курса физической механики, рассмотрены механические колебания и волны, даны разъяснения основных законов и явлений молекулярной физики и термодинамики. Пособие поможет студентам освоить материал программы, научит активно применять теоретические основы физики как рабочий аппарат, позволяющий решать конкретные задачи, связанные с повышением ресурсоэффективности.

В пособии в доступной форме изложен информационный материал физики по разделам «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика» с большим количеством примеров решения задач и тестовых заданий; рассмотрен необходимый математический аппарат.