Program Teoretické základy termotechniky Technika; Energetická nomenklatúra so špecialitami CNAA
Základné pojmy termodynamiky. Termodynamický systém, prostredie, interakcia medzi nimi. Stav rovnováhy. Základné parametre stavu. Vnútorná energia. Termodynamické procesy. Reverzibilné a nevratné procesy.
Prvý princíp termodynamiky kvantitatívne vyjadrenie zákona zachovania a premeny energie. Formy energie a spôsoby transformácie. Mechanické deformačné práce. Teplo ako forma výmeny energie. Vyjadrenie mechanickej práce a tepla v reverzibilných procesoch prostredníctvom systémových parametrov a ich vzájomná transformácia na nekonečne malé a konečné procesy. Mechanická práca a teplo ako procesné funkcie. Termodynamické súradnice a interakčné potenciály. Entropia - súradnica termodynamického stavu. Základná termodynamická rovnosť reverzibilných procesov. Rovnica prvého princípu termodynamiky pre prúd tekutiny. Entalpia, práce spojené s mechanickým posuvom, technické práce, celková práca.
Stavová rovnica termodynamických systémov. Rovnice tepelného a kalorického stavu. Všeobecné vlastnosti stavových rovníc. Tepelné koeficienty: izotermická stlačiteľnosť, tepelná elasticita, tepelná rozťažnosť. Podmienka mechanickej stability. Pojem termodynamický povrch a krivky termodynamického procesu. Clapeyron-Mendeleev a Van-der-Waalsove rovnice - príklady stavových rovníc.
Pojem kalorická kapacita. Závislosť kalorickej kapacity od charakteru termodynamického procesu. Vyjadrenie izochorických a izobarických kalorických kapacít pomocou energie a derivátov entalpie ako funkcia teploty. Molárna, hmotnostná a objemová kalorická kapacita. Závislosť výhrevnosti plynov ideálnej teploty. Kalorická kapacita ideálnej zmesi plynov.
Druhý princíp termodynamiky. Termodynamická reverzibilita a reverzibilita. Variácia entropie v nezvratných procesoch. Termodynamická nerovnosť. Podmienky vzájomnej premeny tepla a mechanickej práce na priame a obrátené termodynamické cykly. Tepelná účinnosť priameho cyklu, chladiaca účinnosť obráteného cyklu. Carnotov cyklus a veta. Rôzne formulácie dané druhým princípom termodynamiky. Termodynamická teplotná stupnica. Pojem pravdepodobnosti termodynamického stavu a jeho súvis s entropiou.
Vplyv nevratnosti na účinnosť termodynamických cyklov. Charakteristické termodynamické funkcie. Charakteristické funkcie ako termodynamické potenciály. Vnútorná energia, entalpia, izochoricko-izotermický potenciál a izobaricko-izotermický potenciál ako charakteristické funkcie. Možnosť vyjadriť tepelné a kalorické vlastnosti systému prostredníctvom charakteristických funkcií. Gibbsova-Helmholtzova rovnica. Maxwellov vzťah.
Diferenciálne rovnice termodynamiky v parciálnych deriváciách. Diferencované rovnice pre vnútornú energiu, entalpiu a entropiu ako funkciu teploty, objemu a tlaku ako nezávislé premenné. Výpočet veličín termodynamických funkcií ideálneho a skutočného plynu.
Vnútorná energia, entalpia a entropia ideálneho plynu. Diferenciálne rovnice pre kalorickú kapacitu. Spojenie medzi izobarickou a izochorickou kalorickou kapacitou. Závislosť izobarickej kalorickej kapacity tlaku a izochorickej kalorickej kapacity objemu. Využitie údajov o kalorickej kapacite na stanovenie rovníc hemipyrického stavu.
Termodynamická rovnováha. Zložené termodynamické systémy s fázovou a chemickou nehomogenitou. Základné rovnice termodynamiky kompozitných systémov. Chemický potenciál. Rovnovážné podmienky kompozitného systému kompatibilného s prostredím. Princíp minimalizácie charakteristických funkcií. Súvislosť medzi princípom minimalizácie a princípom zvyšovania entropie v nezvratných procesoch. Podmienky termodynamickej rovnováhy v nehomogénnych systémoch, ale s chemickou homogenitou. Podmienky termodynamickej rovnováhy vo viaczložkových viacfázových systémoch. Gibbsovo fázové pravidlo. Fázové prechody prvého rádu. Fázové diagramy čistých látok. Clapeyron-Claussiova rovnica. Fázové transformácie druhého stupňa.
Termodynamické vlastnosti čistých látok. Kvalitatívne rozdiely medzi vlastnosťami reálneho a ideálneho plynu. Termodynamický kritický stav. Van-der-Waalsova rovnica. Metastabilné stavy. Maxwellovo pravidlo. Parametre rozmerového stavu, Van-der-Waallsove bezrozmerné rovnice. Princíp zhodných stavov a termodynamická podobnosť. Pojmy súčiniteľ stlačiteľnosti a kritický súčiniteľ. Všeobecná forma rovnice skutočného plynu Mayer-Bogoliubovova rovnica. Vírusové stavové rovnice.
Termodynamické vlastnosti látok na línii fázovej saturácie. Termodynamické vlastnosti vlhkej prehriatej pary. Tvar hraničnej krivky. Metódy výpočtu entropie, entalpie a vnútornej energie skutočných látok pomocou údajov o tepelných vlastnostiach. Stavové diagramy: objemový tlak, objemová teplota, entropia-entalpia, tlak-entalpia.
Základné termodynamické procesy. Algoritmus na výpočet termodynamického procesu. Procesy: izochorické, izobarické, izotermické, adiabatické, polytropné. Stanovenie stavových parametrov, zmeny termodynamických funkcií v procesoch, množstvo tepla, práca v prípade ideálneho plynu a skutočných plynov.
Používanie diagramov na výpočet procesov. Procesy miešania prietoku a objemu plynu.
Laminovanie. Popis procesu. Joule-Thomsonov efekt. Koeficient laminárnej expanzie. Body a krivka inverzie.
Termodynamika jednorozmerného prúdenia. Hlavné zjednodušenia. Rovnica toku energie v tepelnej a mechanickej forme. Adiabatický tok bez trenia. Spojenie rýchlosti s entalpiou, teplotou a prúdovým tlakom. Brzdné parametre. Prietok v kanáloch s premenlivým prierezom. Strata kritického tlaku. Lavalova tryska.
Štúdium procesov prúdenia plynu a pary pomocou entropických diagramov.
Termodynamická analýza činnosti kompresora. Technický a teoretický piestový kompresor. Skutočná prevádzka kompresora.
Viacstupňové kompresory. Výber stupňa kompresie v kroku. Prezentácia prevádzkových procesov kompresora v entropických diagramoch. Mechanické práce potrebné pre činnosť axiálneho a odstredivého kompresora. Vplyv trenia na funkčné parametre kompresora.
Termodynamické referenčné cykly tepelných motorov. Ideálne termodynamické cykly spaľovacích piestových motorov. Vplyv konštruktívnych a funkčných parametrov na tepelnú účinnosť cyklov. Ideálny termodynamický cyklus so zavedením tepla zvonka (Stirling). Ideálne termodynamické cykly systémov s plynovými turbínami a prúdových motorov. Cyklus regenerácie tepla. Klasický Rankinov cyklus. Cykly zariadení so zmiešanou parou a plynovou turbínou. Vplyv tlaku pary a prehriatia na tepelnú účinnosť Rankinovho cyklu. Cyklus magneto-hydrodynamických inštalácií.
Teoretický parný chladiaci cyklus. Teoretický cyklus tepelného čerpadla. Termodynamická účinnosť chladiacich cyklov. Cykly zariadení na chladený vzduch a stlačenú paru. Metódy skvapalňovania plynu.
Vlhký vzduch. Charakteristika vlhkého vzduchu. Absolútna vlhkosť a relatívna vlhkosť. Vlhká schéma klimatizácie. Výpočet parametrov stavu vlhkého vzduchu. Procesy ohrievania, chladenia, zmáčania a sušenia.
Prvky chemickej termodynamiky. Aplikácia prvého princípu termodynamiky na chemické procesy. Gassov zákon. Kirchhoffova rovnica. Aplikácia podmienok termodynamickej rovnováhy na opis chemických reakcií. Rovnovážna konštanta pre homogénne reakcie, zákon hmotností. Stupeň disociácie a jej spojenie s rovnovážnymi konštantami. Práca chemickej reakcie. Nernstov kalorický zákon.
Teória prenosu tepla a hmoty
Začíname pracovať v tepelnom vedení. Metódy štúdia fyzikálnych javov. Hypotéza Biot. Fourierov zákon - základný zákon tepelného vedenia. Tepelná vodivosť. Diferenciálna rovnica tepelného vedenia. Podmienky jedinečnosti procesov tepelného vedenia.
Tepelné vedenie v ustálenom stave.
Vodivý prenos tepla cez plochú stenu pre okrajové podmienky, ako sú I, II a III.
Vodivý prenos tepla valcovou stenou pre okrajové podmienky, ako sú I, II a III. Kritický priemer valcovej steny. Vodivý prenos tepla sférickou stenou. Zovšeobecnená metóda na integráciu rovníc tepelného vedenia cez ploché, valcové a guľové steny. Tepelné vedenie cez tyč s konštantným prierezom. Tepelné vedenie cez rebrové dosky. Tepelné vedenie cez dosky s chladiacimi pórmi. Tepelné vedenie cez telesá s vnútornými zdrojmi tepla.
Vodivý prenos tepla v nestacionárnom režime. Nestacionárne vedenie tepla cez nekonečné ploché dosky. Výpočet množstva tepla vydávaného doskou pri ochladení. Nestacionárne vedenie tepla nekonečne dlhými valcovými stenami. Výpočet množstva tepla vydávaného valcom pri ochladení. Chladenie gule. Chladenie (ohrev) telies konečnej veľkosti. Chladiaci (vykurovací) režim s konštantnou rýchlosťou telies. Približné metódy riešenia problémov s vodivým prenosom tepla. Výskum procesov tepelnej vodivosti analogickou metódou. Numerické metódy riešenia problémov s vodivým prenosom tepla.
Diferenciálne rovnice tepelnej konvekcie a podmienky jedinečnosti. Systém rovníc pre hydrodynamickú, tepelnú a difúznu hraničnú vrstvu. Turbulentný prenos impulzu, tepla a hmoty.
Teória podobnosti a metóda rozmerovej analýzy rovníc konvekčného prenosu tepla. Kritériá podobnosti a výpočtové kritériá pre konvekčný prenos tepla. Podmienky podobnosti fyzikálnych procesov. Metóda rozmerovej analýzy.
Bezplatný prenos tepla konvekciou. Zadarmo konvekčný prenos tepla v laminárnom režime pozdĺž zvislej dosky. Konvekčný prenos tepla v prípade turbulentného pohybu. Zadarmo konvekčný prenos tepla okolo vodorovného potrubia. Bezplatný konvekčný prenos tepla kvapaliny v obmedzenom objeme.
Prenos tepla nútenou konvekciou. Laminárny tok kvapaliny potrubím. Konvekčný prenos tepla doskou, keď je povrchová teplota konštantná. Vplyv variácie fyzikálnych parametrov. Riešenie rovníc hraničnej vrstvy. Približné metódy výpočtu prietoku s rôznymi variáciami rýchlosti a teploty steny. Integrované vzťahy pre impulz a energiu. Zvláštnosti konvekčného prenosu tepla v prípade nadzvukového prúdenia plynu. Koeficient ubytovania. Zákon prestupu tepla.
Odvod tepla počas núteného turbulentného prúdenia kvapaliny. Prechod laminárneho pohybu do turbulencie. Semi-empirické teórie turbulencie.
Integrálna rovnica prestupu tepla pre stabilizovaný tok tekutiny v potrubí. Prestup tepla v prípade turbulentnej medznej vrstvy. Vplyv fyzikálnych vlastností na prestup tepla. Prenos tepla v turbulentnej medznej vrstve na vonkajšie prúdenie okolo telies. Reynoldsova hydrodynamická analógia. Vplyv drsnosti na prestup tepla. Numerické metódy na výpočet turbulentného prenosu tepla (model K-E).
Prevod tepla v prípade núteného prúdenia okolo izolovaného potrubia a zväzku potrubí.
Prestup tepla v zriedených plynoch. Koeficient ubytovania. Kĺzavý koeficient. Oblasti pohybu. Prenos tepla vo voľnom molekulárnom toku a v zóne kĺzavého toku.
Prenos tepla na kondenzáciu pary. Kondenzácia vo filme a po kvapkách. Prenos tepla na filmovú kondenzáciu nepohyblivej pary na zvislej stene. Kondenzácia na vodorovnom potrubí. Prenos tepla na filmovú kondenzáciu pary v prípade jej pohybu potrubím a zväzkom potrubí. Prestup tepla pri kondenzácii pár zo zmesi plynov a pár. Trojitá analógia medzi procesmi prenosu impulzu, tepla a hmoty. Difúzna hraničná vrstva. Prestup tepla v prípade kondenzácie pary po kvapkách.
Prestup tepla pri varení jednofázových kvapalín. Kvapalné režimy varu. Mechanizmus procesu prenosu tepla v globulárnom vare. Výskyt aktívnej fázy pár. Priemer oddelenia zemegule. Rýchlosť rastu a frekvencia oddeľovania sa guľôčok od ohriateho povrchu. Závislosť teploty tepelného toku. Závislosť tlakového uvoľňovania tepla a termofyzikálnych vlastností. Vplyv rýchlosti dopravy. Prenos tepla na globálne varenie kvapaliny za podmienok voľnej konvekcie. Dvojfázová prúdová štruktúra a prenos tepla pri varení kvapaliny v potrubiach.
Kríza prenosu tepla do varu a mechanizmus výroby. Mechanizmus prenosu tepla do filmu varu kvapaliny. Prenos tepla na laminárny tok parnej fólie. Prestup tepla pri turbulentnom prúdení parného filmu. Prenos tepla a hmoty v prípade chemických premien. Všeobecné pojmy o chemických premenách. Systém rovníc medznej vrstvy. Prenos tepla medzi zmesou plynov a fázovým separačným povrchom. Prenos tepla a hmoty na sublimáciu a odparenie z prenosovej plochy.
Radiačný prenos tepla. Všeobecné zákony tepelného žiarenia. Plankov zákon. Stefan-Boltzman Law. Kirchgoffov zákon. Lambertov zákon. Radiačný prenos tepla medzi telesami. Prenos žiarenia v prípade tienenia. Žiarenie medzi telom a škrupinou. Radiačný prenos tepla medzi telesami, ľubovoľne usporiadanými v priestore. Koeficienty uhlového žiarenia. Prenos tepla v absorpčnom a sálavom prostredí. Optická hrúbka prostredia a radiačné režimy. Zvláštnosti žiarenia plynov a pár. Prenos tepla medzi plynným médiom a povlakom. Zložená výmena tepla. Kritériá radiačnej podobnosti.
Režimy hromadného prenosu a ich mechanizmus. Základné množstvá a základné zákony pri hromadnom prenose. Diferenciálne rovnice prenosu hmoty. Konvekčný hromadný prenos. Kritériá podobnosti charakteristické pre konvekčný prenos hmoty. Interfázový prenos hmoty. Tepelné výmenníky. Tepelný výpočet rekuperátorov tepla. Priemerný teplotný rozdiel a výpočtové metódy. Výpočet konečných teplôt a metódy stanovenia. Výpočet konečných teplôt tepelných činidiel. Tepelný výpočet rekuperačných výmenníkov tepla.