05.14.05 – Programa examenului de doctorat
Conţinutul cursului
Termodinamica tehnică
Schurt istoric asupra dezvoltării termodinamicii. Termodinamica ştiinţă generală despre formele de transfer de energie. Caracterul fenomenologic al termodinamicii şi evoluţia ei în baza celor trei legi experimentale.
Noţiuni de bază ale termodinamicii. Sistem termodinamic, mediu ambiant, interacţiunea dintre ele. Starea de echilibru. Parametrii fundamentali de stare. Energie internă. Procese termodinamice. Procese reversibile şi ireversibile.
Principiul întâi al termodinamicii expresie cantitativă a legii conservării şi transformării energiei. Forme de energie şi căile de transformare. Lucrul mecanic de deformare. Căldura ca formă de schimb de energie. Exprimarea lucrului mecanic şi a căldurii în procesele reversibile prin parametrii sistemului şi transformarea lor reciprocă în procesele infinitesimale şi finite. Lucrul mecanic şi căldura ca funcţii de proces. Coordonate termodinamice şi potenţiale de interacţiune. Entropia - coordonată termodinamică de stare. Egalitatea termodinamică de bază a proceselor reversibile. Ecuaţia primului principiu al termodinamicii pentru un curent de fluid. Entalpia, lucrul mecanic de deplasare, lucrul tehnic, lucrul total.
Ecuaţia de stare a sistemelor termodinamice. Ecuaţiile de stare termică şi calorică. Proprietăţile generale ale ecuaţiilor de stare. Coeficienţi termici de: compresibilitate izotermică, elasticitate termică, destindere termică. Condiţia stabilităţii mecanice. Noţiune de suprafaţă termodinamică şi curbe de proces termodinamic. Ecuaţiile Clapeyron-Mendeleev şi Van-der-Waals exemple de ecuaţii de stare.
Noţiune de capacitate calorică. Dependenţa capacităţii calorice de caracterul procesului termodinamic. Exprimarea capacităţilor calorice izocore şi izobare prin derivatele energiei şi entalpiei ca funcţie de temperatură. Capacitatea calorică molară, masică şi volumică. Dependenţa capacităţii calorice a gazelor ideale de temperatură. Capacitatea calorică a amestecului de gaze ideale.
Principiul al doilea al termodinamicii. Reversibilitatea şi inversibilitatea termodinamică. Variaţia entropiei în procesele ireversibile. Inegalitatea termodinamică. Condiţiile transformării reciproce a căldurii şi lucrului mecanic în ciclurile termodinamice directe şi inversate. Randamentul termic al ciclului direct, eficienţa frigorifică a ciclului inversat. Ciclul şi teorema Carnot. Diferite formulări date principiului al doilea al termodinamicii. Scara termodinamică a temperaturilor. Noţiune de probabilitate de stare termodinamică şi legătura ei cu entropia.
Influenţa ireversibilităţii asupra eficienţei ciclurilor termodinamice. Funcţiile termodinamice caracteristice. Funcţiile caracteristice ca potenţiale termodinamice. Energia internă, entalpia, potenţialul izocor-izoterm şi potenţialul izobar-izoterm ca funcţii caracteristice. Posibilitatea exprimării proprietăţilor termice şi calorice ale sistemului prin funcţiile caracteristice. Ecuaţia Gibbs-Helmholtz. Relaţiile lui Maxwell.
Ecuaţiile diferenţiale ale termodinamicii în derivate parţiale. Ecuaţiile diferenţiate pentru energia internă, entalpie şi entropie în funcţie de temperatură, volum şi presiune ca variabile independente. Calculul mărimilor funcţiilor termodinamice ale gazului ideal şi celui real.
Energia internă, entalpia şi entropia gazului ideal. Ecuaţiile diferenţiale pentru capacitatea calorică. Legătura dintre capacitatea calorică izobară şi izocoră. Dependenţa capacităţii calorice izobare de presiune şi a capacităţii calorice izocore de volum. Utilizarea datelor despre capacităţile calorice la stabilirea ecuaţiilor de stare emipirice.
Echilibrul termodinamic. Sisteme termodinamice compuse cu neomogenitate fazică şi chimică. Ecuaţiile fundamentale ale termodinamicii sistemelor compuse. Potenţialul chimic. Condiţiile de echilibru al sistemului compus compatibile cu mediul ambiant. Principiul de minimizare al funcţiilor caracteristice. Legătura dintre principiul de minimizare cu cel al creşterii entropiei în procesele ireversibile. Condiţiile de echilibru termodinamic în sistemele neomogene, dar cu omogenitate chimică. Condiţiile echilibrului termodinamic în sistemele polifazice multicomponente. Regula fazelor a lui Gibbs. Tranziţii de fază de ordinul întâi. Diagrame fazice ale substanţelor pure. Ecuaţia Clapeyron-Claussius. Transformări fazice de gradul doi.
Proprietăţile termodinamice ale substanţelor pure. Deosebirile calitative dintre proprietăţile gazelor reale şi cele ideale. Starea critică termodinamică. Ecuaţia lui Van-der-Waals. Stări metastabile. Regula lui Maxwell. Parametrii adimensionali de stare, ecuaţiile adimensionale ale lui Van-der-Waalls. Principiul stărilor concordante şi similitudinea termodinamică. Noţiuni de coeficient de compresibilitate şi coeficient critic. Forma generală a ecuaţiei de stare a gazelor reale ecuaţia Mayer-Bogoliubov. Ecuaţiile de stare viriale.
Proprietăţile termodinamice ale substanţelor pe linia de saturaţie a fazelor. Proprietăţile termodinamice ale aburului supraîncălzit umed. Forma curbei limite. Metode de calcul a entropiei, entalpiei şi energiei interne ale substanţelor reale cu utilizarea datelor despre proprietăţile termice. Diagrame de stare: volum-presiune, volum-temperatură, entropie-entalpie, presiune-entalpie.
Procese termodinamice de bază. Algoritmul calculului procesului termodinamic. Procese: izocor, izobar, izoterm, adiabatic, politropic. Determinarea parametrilor de stare, variaţia funcţiilor termodinamice în procese, a cantităţii de căldură, a lucrului în cazul gazului ideal şi a gazelor reale.
Utilizarea diagramelor la calculul proceselor. Procese de amestecare a gazelor în flux şi în volum.
Laminarea. Descrierea procesului. Efectul Joule-Thomson. Coeficientul de destindere laminară. Puncte şi curbă de inversie.
Termodinamica curgerii unidimensionale. Simplificările principale. Ecuaţia energiei fluxului în forma termică şi mecanică. Curgerea adiabatică fără frecare. Legătura vitezei cu entalpia, temperatura şi presiunea curentului. Parametrii de frânare. Curgerea în canale cu secţiunea transversală variabilă. Pierderea de presiune critică. Ajutajul Laval.
Studiul proceselor de curgere a gazelor şi aburului cu ajutorul diagramelor entropice.
Analiza termodinamică a funcţionării compresorului. Compresorul cu piston tehnic şi teoretic. Funcţionarea compresorului real.
Compresoare polietajate. Alegerea gradului de compresie în treaptă. Prezentarea proceselor de funcţionare a compresorului în diagramele entropice. Lucrul mecanic necesar funcţionării compresorului axial şi centrifug. Influenţa frecării asupra parametrilor funcţionali ai compresorului.
Ciclurile termodinamice de referinţă ale motoarelor termice. Ciclurile termodinamice ideale ale motoarelor cu ardere internă cu piston. Influenţa parametrilor constructivi şi funcţionali asupra randamentului termic al ciclurilor. Ciclul termodinamic ideal cu introducerea căldurii din exterior (Stirling). Ciclurile termodinamice ideale ale instalaţiilor de turbine cu gaze şi ale motoarelor cu reacţie. Ciclul cu regenerare de căldură. Ciclul clasic Rankine. Ciclurile instalaţiilor mixte cu turbine cu abur şi gaze. Influenţa presiunii şi supraîncălzirii aburului asupra randamentului termic al ciclului Rankine. Ciclul instalaţiilor magneto-hidrodinamice.
Ciclul frigorific teoretic cu vapori. Ciclul teoretic al pompei de căldură. Eficienţa termodinamică a ciclurilor frigorifice. Ciclurile instalaţiilor frigorifice cu aer şi cu abur comprimat. Metode de lichifiere a gazelor.
Aerul umed. Caracteristica de stare a aerului umed. Umiditate absolută şi umiditate relativă. Diagrama de stare a aerului umed. Calculul parametrilor de stare ai aerului umed. Procese de încălzire, răcire, umezire şi uscare.
Elemente de termodinamică chimică. Aplicarea principiului întîi al termodinamicii la procesele chimice. Legea lui Gass. Ecuaţia lui Kirchhoff. Aplicarea condiţiilor de echilibru termodinamic la descrierea reacţiilor chimice. Constanta de echilibru pentru reacţii omogene, legea maselor. Gradul de disociaţie şi legătura ei cu constantele de echilibru. Lucrul reacţiei chimice. Legea calorică a lui Nernst.
Teoria transferului de căldură şi masă
Obiectul de studiu al teoriei transferului de căldură şi masă. Domenii de aplicaţii practice. Trei moduri elementare de transfer de căldură şi mecanismul lor. Perspective de dezvoltare a ştiinţei despre transferul de căldură ţi masă.
Noţiuni de bază din conducţia termică. Metode de studiere a fenomenelor fizice. Ipoteza Biot. Legea lui Fourier – legea de bază a conducţiei termice. Conductivitatea termică. Ecuaţia diferenţială a conducţiei termice. Condiţii de unicitate a proceselor de conducţie termică.
Conducţia termică în regim staţionar.
Transferul de căldură conductiv prin peretele plan pentru condiţii la limită de genul I, II şi III.
Transferul de căldură conductiv prin peretele cilindric pentru condiţii la limită de genul I, II şi III. Diametrul critic al peretelui cilindric. Transferul de căldură conductiv prin peretele sferic. Metoda generalizată de integrare a ecuaţiilor conducţiei termice prin pereţii plani, cilindrici şi sferici. Conducţia termică printr-o bară cu secţiunea transversală constantă. Conducţia termică prin plăci cu aripioare. Conducţia termică prin plăci cu pori la răcire. Conducţia termică prin corpuri cu surse interioare de căldură.
Transferul de căldură conductiv în regim nestaţionar. Conducţia termică nestaţionară prin plăci plane infinite. Calculul cantităţii de căldură, cedate de placă la răcire. Conducţia termică nestaţionară prin pereţi cilindrici infiniţi de lungi. Calculul cantităţii de căldură, cedată de cilindru la răcire. Răcirea sferei. Răcirea (încălzirea) corpurilor cu dimensiuni finite. Regimul de răcire (încălzire) cu viteza constantă a corpurilor. Metode aproximative de soluţionare a problemelor de transfer de căldură conductiv. Cercetarea proceselor de conducţie termică prin metoda analogiei. Metode numerice de soluţionare a problemelor de transfer de căldură conductiv.
Ecuaţiile diferenţiale ale convecţiei termice şi condiţiile de unicitate. Sistemul de ecuaţii pentru stratul limită hidrodinamic, termic şi difuziv. Transferul turbulent de impuls, căldură şi masă.
Teoria similitudinii şi metoda analizei dimensionale a ecuaţiilor transferului de căldură convectiv. Criterii de similitudine şi ecuaţii criteriale de calcul pentru transferul de căldură convectiv. Condiţii de similitudine a proceselor fizice. Metoda analizei dimensionale.
Transferul de căldură prin convecţie liberă. Transferul de căldură liber convectiv în regim laminar în lungul unei plăci verticale. Transferul de căldură convectiv în cazul mişcării turbulente. Transferul de căldură liber convectiv în jurul unei ţevi orizontale. Transferul de căldură prin convecţie liberă a lichidului în volum limitat.
Transferul de căldură prin convecţie forţată. Curgerea laminară a lichidului prin ţevi. Transferul de căldură convectiv al unei plăci în cazul cînd temperatura suprafeţei este constantă. Influenţa variaţiei parametrilor fizici. Soluţiile ecuaţiilor stratului limită laminar. Metode aproximative de calcul la curgerea cu diverse variaţii ale vitezei şi temperaturii peretelui. Relaţii integrale pentru impuls şi energie. Particularităţile transferului de căldură convectiv în cazul curgerii supersonice a gazului. Coeficientul de acomodare. Legea transferului de căldură.
Degajarea căldurii la curgerea turbulentă forţată a lichidului. Trecerea mişcării laminare în turbulenţă. Teoriile semiempirice ale turbulenţei.
Ecuaţia integrală a transferului de căldură pentru curgerea stabilizată a fluidului în ţeavă. Transferul de căldură în cazul stratului limită turbulent. Influenţa proprietăţilor fizice asupra transferului de căldură. Transferul de căldură în stratul limită turbulent la curgerea exterioară în jurul corpurilor. Analogia hidrodinamică Reynolds. Influenţa rugozităţii asupra transferului de căldură. Metode numerice de calcul a transferului de căldură turbulent (modelul K-E).
Transferul căldurii în cazul curgerii forţate în jurul unei ţevi izolate şi a unui fascicul de ţevi.
Transferul de căldură în gaze rarefiate. Coeficientul de acomodare. Coeficientul de alunecare. Domeniile de mişcare. Transferul de căldură în fluxul molecular liber şi în zona de curgere cu alunecare.
Transferul de căldură la condensarea aburului. Condensarea în peliculă şi picături. Transferul de căldură la condensarea peliculară a aburului imobil pe un perete vertical. Condensarea pe o ţeavă orizontală. Transferul de căldură la condensarea peliculară a aburului în cazul mişcării lui printr-o ţeava şi printr-un fascicul de ţevi. Transferul de căldură la condensarea vaporilor din amestec de gaz şi vapori. Analogia triplă între procesele de transfer a impulsului, căldurii şi masei. Stratul limită difuzional. Transferul de căldură în cazul condensării aburului în picături.
Transferul de căldură la fierberea lichidelor monofazice. Regimurile de fierbere a lichidelor. Mecanismul procesului de transfer de căldură la fierberea globulară. Apariţia fazei active a vaporilor. Diametrul de desprindere a globulei. Viteza creşterii şi frecvenţa desprinderii globulelor de pe suprafaţa încălzită. Dependenţa fluxului de căldură de temperatură. Dependenţa degajării căldurii de presiune şi proprietăţile termofizice. Influenţa vitezei de circulaţie. Transferul de căldură la fierberea globulară a lichidului în condiţiile convecţiei libere. Structura curentului bifazic şi transferul de căldură la fierberea lichidului în ţevi.
Criza transferului de căldură la fierbere şi mecanismul producerii. Mecanismul transferului de căldură la fierberea peliculară a lichidului. Transferul de căldură la curgerea laminarlă a peliculei de abur. Transferul de căldură la curgerea turbulentă a peliculei de abur. Transferul de căldură şi masă în cazul transformărilor chimice. Noţiuni generale despre transformări chimice. Sistemul de ecuaţii a stratului limită. Transferul de căldură dintre amestecul de gaze şi suprafaţa de separaţie a fazelor. Transferul de căldură şi masă la sublimare şi evaporare de pe suprafaţa de transfer.
Transferul de căldură prin radiaţie. Legile generale de radiaţie a căldurii. Legea lui Plank. Legea Stefan-Boltzman. Legea lui Kirchgoff. Legea lui Lambert. Transferul de căldură prin radiaţie dintre corpuri. Transferul de căldură prin radiaţie în cazul ecranării. Radiaţia dintre corp şi înveliş. Transferul de căldură prin radiaţie dintre corpuri, aranjate arbitrar în spaţiu. Coeficienţii unghiulari de radiaţie. Transferul de căldură în medii absorbante şi radiante. Grosimea optică a mediului şi regimurile de radiaţie. Particularităţile radiaţiei gazelor şi vaporilor. Transferul de căldură dintre mediul gazos şi înveliş. Schimbul de căldură compus. Criteriile de similitudine a radiaţiei.
Modurile de transfer de masă şi mecanismul lor. Mărimi fundamentale şi legi de bază în transferul de masă. Ecuaţiile diferenţiale ale transferului de masă. Transferul de masă convectiv. Criterii de similitudine caracteristici transferului de masă convectiv. Transferul de masă interfazic. Schimbătoare de căldură. Calculul termic al schimbătoarelor recuperative de căldură. Diferenţa medie de temperatură şi metode de calcul. Calculul temperaturilor finale şi metode de determinare. Calculul temperaturilor finale ale agenţilor termici. Calculul termic al schimbă-toarelor de căldură regenerative.
Literatura de specialitate
- Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М., «Энергия», 1974. (и последнее издание)
- Техническая термодинамика. Под ред. В.И. Крутова. М., «Высшая школа», 1971.
- Вукалович М.П., Новикова И.И. Техническая термодинамика. М., «Энергия», 1968.
- Исаев С.И. Курс химической термодинамики. М., «Машиностроение», 1975.
- Исаченко В.П., Осипова В.А., Сухомел А.С. Теплопередача. М., «Энергия», 1975.
- Юдаев Б.Н. Теплопередача. М., «Высшая школа», 1973.
- Авдуевский В.С. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. Под ред. В.К.Кошкина. М., «Машиностроение», 1975.
- Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск, «Наука», 1979.
- Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен. М., «Энергия», 1972.
- Теория теплообмена. Под ред. А.И. Леонтьева, М., «Высшая школа», 1979.
- Bejan A. Termodinamica tehnică avansată. Editura Tehnică Bucureşti – 1996.
- Tănăsescu F. T., Bologa M., Cramariuc R. Electrotehnologii. Editura Academiei Române. Bucureşti, 1999. Electrostatica vol.I; Procesarea materialelor şi tehnologii electrochimice vol.II.
- Termotehnica / Sub redacţia lui V.I. Krutov. Chişinău, Editura Lumina, 1991.
- Cernica I.M. Bazele transmiterii căldurii. Chişinău, Editura UTM, 1988.
