Термодинамика

Процессы в пористых телах составляют основу многих традиционных и современных технологий: каталитических, сорбционных, мембранных, электрохимических, хроматографических, очистки и разделения жидких и газовых смесей, капиллярной конденсации и десорбции, многофазной фильтрации и напыления, смачивания, пропитки и сушки широкого круга дисперсных систем, как синтезированных, так и природных, включая процессы переноса веществ в различных грунтах и т.д. Монография является первым шагом в изложении с единой точки зрения всего круга вопросов по расчету равновесных и динамических характеристик процессов адсорбции в пористых телах на молекулярном уровне. Впервые излагаются два новых направления статистической термодинамики: теория расслаивания молекул в сложных микронеоднородных системах и микроскопическая гидродинамика. Материал ориентирован на специалистов, которые занимаются процессами равновесия и динамики адсорбции в пористых телах, но не являются специалистами в теории и моделировании этих процессов. Изложение материала построено так, чтобы читатель мог последовательно войти в курс проблем, для чего приведено большое количество иллюстраций: фазовые диаграммы, коэффициенты переноса и распределения потоков, которые хорошо знакомы экспериментаторам в случае объемной фазы и в макроскопических порах, но для наноразмерных пористых систем неизвестны. Монография имеет междисциплинарный характер. Она полезна широкому кругу специалистов в области физической химии, занимающихся вопросами статистической термодинамики, физики поверхностных явлений и фазовых переходов, кинетической теории конденсированных фаз и гидродинамики, а также студентам и аспирантам соответствующих специальностей. Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 11-03-07026 в пористых телах.

В книге рассматриваются различные методы исследования термической диффузии в газах. Изложена теория термодиффузии, проанализированы полуэмпирические и экспериментальные методы определения фактора термодиффузии. Описаны возможности повышения информативности эксперимента. Приводятся результаты по фактору термодиффузии бинарных газовых смесей. Книга рассчитана на научных работников и инженеров, работающих в области термической диффузии, а также может быть полезна аспирантам и студентам физических факультетов вузов.

Эта книга – одна из первых в мировой литературе монографий, посвященных тепловым процессам в наномасштабных системах. Проанализированы классические и современные представления о теплофизике нанообъектов. Рассмотрены механизмы переноса тепла в различных наноструктурах, методы вычисления теплопроводности, в том числе в нанопроволоках и нанотрубках, нанокомпозитах и наножидкостях. Проведен анализ радиационного теплопереноса на наномасштабах. Особое внимание уделено роли межфазных границ и влиянию размерных (классических и квантовых) эффектов, приводящих к особенностям и аномалиям теплопереноса. Отражено современное состояние интенсивно развивающихся областей теплофизики – нанотермогидродинамики и нанотермоэлектричества. Для студентов, аспирантов и специалистов в области физики твердого тела, нанонауки и нанотехнологий, физики и техники низких температур, энергетики и теплофизики.

Данная книга является одновременно сборником олимпиадных задач и учебным пособием по решению особо сложных школьных задач по физике. В сборник вошли задачи, предлагавшиеся на теоретических турах старшей и младшей лиг международной олимпиады «Туймаада» по физике за всё время её существования. Для удобства пользования книгой все задачи распределены по разделам физики, а наиболее трудные задачи отмечены звёздочкой. Абсолютно ко всем задачам даются подробные решения, а к некоторым – ещё и критерии, применявшиеся жюри при оценке работ участников. Особое внимание уделяется последовательности рассуждений в ходе решения, обоснованности используемых утверждений, возможности решения различными методами и анализу полученных результатов. В ряде случаев отдельно обсуждаются типичные ошибки и причины их возникновения. Некоторые задачи позволяют соприкоснуться с важными вопросами современной физики.

Рассмотрены основные закономерности поведения открытых физико-химических систем при значительных отклонениях от равновесия. Большое внимание уделено вопросам неравновесной термодинамики, образованию диссипативных структур. Представлены основы математического описания процессов в неравновесных системах и анализа устойчивости конечных состояний нелинейных систем. Приведены примеры использования методов неравновесной термодинамики при решении задач, связанных с поведением гетерогенных металлических систем в различных внешних условиях. Предназначено для изучения дисциплины «Термодинамика неравновесных процессов» для студентов, обучающихся по основной образовательной программе направления «Материаловедение и технология материалов».

В книге собраны воспоминания коллег, учеников, родных и близких о выдающемся ученом Амине Афтаховиче Тарзиманове. Показана научная и учебно-методическая работа. Приведены списки основных научных трудов.

Рассмотрены основные закономерности протекания металлургических процессов при осуществлении операций сварки и наплавки, в том числе особенности поведения расплавленного металла при сварке электродами с различным типом покрытий. Отмечена важнейшая роль шлаковой системы в формировании структуры и свойств металла шва и показано, что для анализа шлаковых систем необходим расчетный механизм, позволяющий определить термодинамическую активность отдельных компонентов шлака. Приведены базовые сведения по термодинамике и химической кинетике металлических растворов, необходимые для лучшего понимания основного материала. Рассмотрены расчетные термодинамические методы, используемые для исследования межфазного взаимодействия при сварке. С позиций термодинамики рассмотрены вопросы поведения металлов-модификаторов, в том числе редкоземельных металлов, основных металлов-раскислителей, применяемых в практике производства сварочных материалов, и проведены соответствующие расчеты. Приведены результаты расчетов величин термодинамической активности отдельных компонентов шлаковой фазы при различных температурах и спрогнозированы особенности их взаимодействия между собой и с окружающей средой. Книга рассчитана на широкий круг специалистов в области разработки, производства и использования сварочных материалов из научно-исследовательских институтов, предприятий и организаций, разрабатывающих новые лигатуры и ферросплавы для металлургического и сварочного производства. Она может быть полезна студентам профильных учебных заведений, специализирующимся в разработке и применении методов термодинамического моделирования сварочных процессов.

В работе рассмотрены основные этапы развития инженерной криологии; термодинамические принципы и предельные соотношения для непрямых, непрерывных, обратимых (равновесных) взаимных преобразований теплоты и работы (электроэнергии); термодинамическая температура, единое термодинамическое температурное пространство, холод и теплота; окружающая среда, ее температура и свойства; тепловые двигатели – генераторы работы (электроэнергии); холодильные и криогенные установки и системы – генераторы холода; тепловые насосы – генераторы высокопотенциальной теплоты; «холодные» двигатели – генераторы работы; различные преобразования потоков только теплоты; пример преобразования теплоты высокого потенциала в холод; энтропия и эксергия; внутренняя энергия и энтальпия; свободная энергия и свободная энтальпия; классические технологические задачи инженерной криологии. Проанализированы принципиальные схемы реальных машинных систем, осуществляющих непрямые, непрерывные, циклические процессы для генерации работы (энергии), холода и теплоты; энергетические и энтропийные балансы реальных систем; истоки энтропийно-статистического метода анализа низкотемпературных систем и определения энергетических потерь; теоретические величины энергетических потерь в циклах НТУ; величины производства энтропии и действительно затрачиваемой работы для компенсации необратимости рабочих процессов и циклов в НТУ. Показаны характерные особенности реальных необратимых рабочих процессов низкотемпературных систем – генераторов холода; особенности одноразового (кратковременного) и непрерывного (длительного) охлаждения; сформулирована теорема о холодопроизводительности низкотемпературных циклов с потоками рабочего тела. Описаны газовые интегрированные циклы тепловых насосов для одновременной генерации тепла и холода. Приведены примеры энтропийно-статистического анализа различных низкотемпературных систем.

Учебное пособие содержит все разделы курса общей физики, посвященные изучению классической термодинамики и статистической физики равновесных систем. Кратко изложены основы термодинамики неравновесных систем и методы описания необратимых процессов. Теоретический материал дополнен описанием физических экспериментов, технических приложений физических эффектов и задачами с решениями. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, читаемому авторами в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Для студентов технических университетов и вузов.

Рассмотрены основные вопросы физической химии: законы термодинамики, термодинамические системы, потенциальные функции, химическая кинетика, катализ, термический анализ диаграмм состояния, термодинамика поверхности. Изложение теоретических вопросов подтверждено математическими выводами. При подготовке пособия использованы достижения в области физики и химии, а также опыт чтения курса лекций «Физическая химия материалов» в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Количественные характеристики приведены в Международной системе единиц СИ. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Материаловедение».

В книге представлены учебные исследования физических свойств капель и струй жидкости, в той или иной степени относящиеся ко всем разделам школьного курса физики: механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике. Описаны учебные эксперименты по воздействию звука на струи жидкости и газа, а также по гидродинамической и термодинамической генерации звука. Приведены краткие исторические сведения, дана элементарная теория, обсуждены возможности практического применения рассмотренных явлений. Подробно изложены конструкции физических приборов и экспериментальных установок. Даны рекомендации по постановке опытов, обсуждены различные варианты экспериментов. Все опыты доступны и могут быть поставлены учащимися в школьном физическом кабинете или в домашних условиях. Для учащихся и преподавателей физики средней и высшей школы, руководителей физических и технических кружков, а также для самообразования.

Рассмотрены основные положения теории капиллярности Гиббса и фундаментальные термодинамические уравнения, полученные методом слоя конечной толщины. Основное внимание уделено прикладным аспектам термодинамической теории поверхностных явлений. Подробно рассмотрен вопрос о методах вычисления адсорбции в многокомпонентных растворах. Впервые получены системы уравнений, позволяющие по концентрационной зависимости поверхностного натяжения проводить расчеты адсорбции в реальных многокомпонентных растворах, получены системы уравнений и разработаны методы вычисления термодинамических параметров поверхностного слоя многокомпонентных систем. Представлены экспериментальные данные по поверхностному натяжению и плотности двойных и многокомпонентных систем. Подробно описаны оригинальные приборы и методики. Анализ полученных результатов позволил разработать методы прогноза поверхностных свойств многокомпонентных систем по данным о свойствах боковых двойных расплавов. Монография рассчитана на широкий круг научных работников – физиков и химиков, инженеров и материаловедов, а также преподавателей вузов, аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

Курс общей физики подготовлен в соответствии с программой бакалавриата по техническим специальностям и является победителем конкурса Министерства образования Российской Федерации. Курс адресован студентам технических университетов с углубленным изучением физики, а также студентам физико-математических факультетов классических университетов. Изложение ведется на современном уровне при достаточно высокой степени формализации, но математической подготовки, выходящей за рамки технического университета, у читателя не обязательно – все необходимые дополнительные сведения включены непосредственно в данный курс. Предметом второго тома является квантовая физика атома, ядра и элементарных частиц, а также статистическая физика и термодинамика. В заключительном разделе анализируется эволюция наших взглядов от классической к квантовой системе описания природы, разбирается вопрос о происхождении мира, о поведении вещества в экстремальных условиях. Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений.

Учебное пособие содержит теоретический материал, связанный с методами изучения свойств и поведения макросистем – систем, состоящих из очень большого числа частиц. Это термодинамика, молекулярно-кинетическая теория и статистика (как классическая, так и квантовая). Помимо довольно большого числа примеров, в конце каждой главы приведены задачи на соответствующий материал. Показано, как, по мнению автора, следует подходить к их решению. Задачи тесно связаны с основным текстом, часто являясь его дополнением и развитием. Для студентов физических специальностей вузов.

В данном учебнике рассмотрены первый и второй законы термодинамики, процессы изменения состояния идеальных газов; вопросы по термодинамике потока, тепловым двигателям, холодильным машинам. Представлены материалы по реальным газам – водяному пару и влажному воздуху, элементы химической термодинамики (кратко). Изложены исследования процессов в реальных газах. Также проанализированы вопросы теплопроводности, конвективного теплообмена и теплового излучения. Рассмотрены положения теории подобия и нестационарной теплопроводности. Приведены разделы по расчету теплообменных аппаратов различного типа.

В монографии рассмотрены вопросы, связанные с применением результатов визуализации течений оптически активной жидкости в каналах теплообменных и технологических устройств и аппаратов. Приведены фотографии картин течения. Особое внимание уделено разработке моделей потенциального течения несжимаемой жидкости и их анализу на основе результатов визуализации потоков. На основании проведенных экспериментальных исследований и данных других авторов рассмотрены примеры использования результатов визуализации для профилирования стенок каналов различных аппаратов и устройств. Предназначена для специалистов, занимающихся решением теоретических и прикладных задач по гидродинамике, тепло- и массообмену.

В монографии рассмотрены вопросы, связанные с применением шаровых укладок в теплообменных и технологических устройствах и аппаратах. Особое внимание уделено анализу влияния на гидродинамику и теплообмен геометрических параметров шаровых укладок, как регулярных, так и случайных. На основании проведенных экспериментальных исследований и анализа данных других авторов предложены зависимости для учета воздействия дополнительных факторов: числа рядов в укладке; ограждающих проницаемых поверхностей; градиента потока и температурного фактора. Предназначена для специалистов-теплотехников, занимающихся решением теоретических и прикладных задач по тепло- и массообмену.

Загрязнение поверхностей и коррозия являются наиболее серьезными проблемами для разработчиков и предприятий, эксплуатирующих промышленное оборудование, в частности, теплообменники. В настоящей работе изучено влияние свойств поверхности (шероховатости и свободной энергии) на формирование кристаллических, биологических и парафиновых отложений, а также на процесс коррозии. Предназначена для специалистов-теплотехников, занимающихся решением теоретических и прикладных задач по тепло- и массообмену.

Содержит дидактический материал, отвечающий требованиям федерального государственного образовательного стандарта профессионального образования по направлению подготовки 270800 «Строительство» в области базовой (общепрофессиональной) части профессионального цикла, необходимый бакалаврам для освоения основных положений термодинамики, механики жидкости, тепломассообмена.

This tutorial is for the Baccalaureate and Master Degrees students studying thermo-physics and heat engineering within their course of Metallurgy. The physical meaning of terms and definitions, and main units of measurements of the main quantities in thermo-physics are reviewed in this tutorial. This tutorial also features a brief review of the scientists who made a significant contribution towards the development of the related scientific disciplines. This tutorial may also be helpful for the Baccalaureate and Master Degrees students of other disciplines. Рассмотрены физический смысл терминов, определений и размерность основных теплофизических величин. Приведены краткие биографические очерки ученых, внесших существенный вклад в развитие теории рассматриваемого направления науки. Предназначено для обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлению подготовки 22.03.02, 22.04.02 «Металлургия», изучающих теплофизические и теплотехнические курсы. Может быть полезно студентам других направлений бакалавриата и магистратуры.