Примерная программа-минимум кандидатского экзамена по специальности "Теплофизика"

1. История формирования общих философский концепций и развитие молекулярной теории строения вещества.

1. Развитие представлений о природе теплоты. Корпускулярная гипотеза о природе теплоты в работах Ломоносова М.В. Зарождение термодинамики и открытие ее законов.
2. Развитие молекулярно-кинетической теории в ХIX веке. Работы Дж.Максвелла и Л.Больцмана. Открытие броуновского движения и исследование его в работах А. Эйнштейна и М.Смолуховского. Работы Дж.В.Гиббса.
3. История развития статистических идей в теории теплового излучения.
4. Обобщение основных понятий и законов термодинамики и статистической физики на область неуравновешенных процессов. Развитие теории неуравновешенных процессов в работах Н.Н.Боголюбова и Л.Онзагера.

2. Принципы термодинамики и статистической физики.

1. Законы термодинамики. Термодинамические функции. Термодинамические неравенства.
2. Остновные принципы статистики. Теорема Лиувилля в классической и квантовой статистике. Микроканоническое распределение.
3. Распределение Гиббса. Энтропия. Статистическое обоснование закона возрастания энтропии. Распределение Гиббса для систем с переменным числом частиц.
4. Статистическое описание идеального газа. Распределение Больцмана. Термодинамические свойства двухатомного газа с молекулами одинаковых и разных атомов. Закон распределения.
5. Квантовая статистика идеального газа. Распределение Бозе. Бозе-конденсация. Термодинамика черного излучения. Распределение Ферми. Теплоемкость вырожденного Ферми-газа.
6. Термодинамика твердых тел. Формула Дебая. Уравнение состояние и теплоемкость. Плавление.
7. Неидеальные газы. Разложения по степеням плотности. Вириальные коэффициенты.
8. Фазовые переходы. Условия равновесия фаз. Критическая точка. Фазовые переходы второго рода. Термодинамическая теория Ландау фазовых переходов второго рода.
9. Теория флуктуаций. Распределение Гаусса. Флуктуации основных термодинамических величин. Формула Пуассона. Корреляция флуктуаций. Флуктуации в критической точке. Корреляция флуктуаций во времени.
10. Условие химического равновесия. Закон действующих масс. Теплота реакции. Термическая диссоциация, ионизация, возбуждение.

3. Принципы описания неравновесных процессов.

1. Уравнения переноса, основы термодинамики необратимых явлений. Соотношение симметрии кинетических коэффициентов Онсагера. Применения методов неравновесной термодинамики к явлениям в сплошных средах с одновременным протеканиям различных процессов: диффузии, теплопроводности, вязкости, химических реакций.
2. Ударные волны. Законы сохранения на фронте ударной волны. Ударная адиабата. Стационарный поток сжимаемого газа. Истечение газа через сопло.
3. Кинетическое уравнение Больцмана. Н-теорема. Вывод уравнения Больцмана, гидродинамических уравнений и релаксационных уравнений Греда. Идеи метода Чепмена-Энскога. Вычисление кинетических коэффициентов. Влияние химических реакций и внутренних степеней свободы на явления переноса.
4. Случайные блуждания и броуновское движения. Уравнение Ланжерона. Уравнение Фоккера-Планка.
5. Релаксационные явления. Основное кинетическое уравнение. Колебательная релаксация. Вращательная релаксация. Теория уширения спектральных линий. Кинетика диссоциации и ионизации. Газовые лазеры. Столкновительные механизмы создания инверсной населенности.
6. Распространение звука в газе, дисперсия и затухание звука. Структура и толщина ударной волны в газе. Вторая вязкость.
7. Теория ЭПР, ЯМР, основанная на уравнениях Блоха, продольная и поперечная релаксация.

4. Теория теплообмена.

1. Перенос массы, энергии и импульса. Законы сохранения. Механизмы переноса тепла.
2. Теплопроводность. Тепловой поток. Уравнение теплопроводности. Начальные и граничные условия.
3. Стационарная теплопроводность. Краевые задачи для простейших тел. Объемные и поверхностные источники тепла.
4. Нестационарная теплопроводность. Методы решения линейных краевых задач. Простейшие задачи для конечных и бесконечных областей.
5. Нелинейные задачи теплопроводности. Автомодельные решения. Тепловые волны. Приближенные и численные методы решения задач теплопроводности. Явные и неявные конечно-разностные схемы.
6. Конвекционный теплообмен. Уравнение, начальные и граничные условия. Условия сопряжения.
7. Методы подобия и размерности в теории теплообмена. Критерии подобия и их физический смысл. Критериальные формулы для расчета теплоотдачи.Теплоотдача при свободной и вынужденной конвекции.
8. Теплообмен в ламинарном пограничном слое. Пограничный слой на плоской пластине, трение и теплообмен при обтекании пластины несжимаемой жидкостью. Приближенные методы решения уравнений пограничного слоя. Интегральные соотношения.
9. Турбулентный пограничный слой. Усредненные уравнения. Профиль скорости. Вязкий подслой. Теплообмен и трение при турбулентном обтекании плоской пластины.
10. Теплообмен при испарении и конденсации. Теплоотдача при пузырьковом кипении в условиях свободной конвекции. Структура двухфазного потока пр икипении в трубах. Теплоотдача при кипении в трубах. Теплообмен при пленочной и капельной кондунсации пара.
11. Лучистый теплообмен. Уравнения переноса излучения. Краевые условия. Приближенные методы решения уравнений переноса. Диффузионное приближение. Приближение лучистой теплопроводности.

5. Газы.

1. Взаимодействие молекул. Источники сведений о межмолекулярных силах. Различные составляющие межмолекулярных сил. Потенциальные функции межмолекулярного взаимодействия. Упругие и неупругие столкновения.
2. Уравнение состояния газа. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний, термодинамическое подобие. Теплоемкость. Сжимаемость. Эффект Джоуля-Томсона. Методы измерения термодинамических величин.
3. Явления переноса в газах. Вязкость. Теплопроводность. Диффузия. Термодиффузия. Пристеночные явления в умеренно-разреженном газе. Термомолекулярная разность давлений. Кинетические явления в сильно разреженном газе (газ Кнудсена).
4. Методы исследования явлений переноса. Методы получения сверх-низких и высоких давлений. Диффузионные методы разделения изотопов. Ультразвуковой метод исследования релаксации в газах.

6. Основы физики плазмы.

1. Свойства плазмы. Кулоновское взаимодействие. Параметры неидеальности и вырождения.
2. Методы получения и исследования плазмы. МГД-генераторы, плазмотроны, термоядерные установки. Электроразрядные, взрывные и лазерные методы получения и нагревания плотной плазмы.
3. Ионизационное равновесие. Формула Саха. Кинетика ионизации. Электрон-электронные, электрон-ионные и электрон-атомные столкновения. Фотоионизация.
4. Явления переноса в плазме. Теплопроводность, электропроводность, вязкость. Влияние неидеальности плазмы на коэффициенты переноса.
5. Излучение плазмы. Тормозное и рекомбинационное излучение. Линейчатый спектр атомов и ионов. Ширина спектральных линий.
6. Колебания и волны в плазме. Альвеновские и магнитозвуковые волны. Электромагнитные волны. Нелинейные волны. Ударные волны. Волны в бесстолкновительной плазме. Затухание Ландау.

7. Жидкости.

1. Строение жидкости. Радиальная функция распределения. Изучение структуры жидкости методом рассеяния рентгеновских лучей. Корреляция ориентаций. Жидкие кристаллы.
2. Уравнения состояния жидкости и плотных газов. Плотность, сжимаемость, теплоемкость.
3. Статистическая теория жидкостей. Частичные функции распределения, методы интегральных уравнений. Модельные теории. Методы теории возмущений. Машинное моделирование.
4. Явления переноса и релаксации в жидкости. Вязкость,теплопроводность, диффузия и самодиффузия.
5. Изучение теплового движения в жидкостях по рассеянию света и медленных нейтронов. Пространственно-временная корреляционная функция.
6. Термодинамика поверхности. Поверхностное натяжение и поверхностное давление. Равновесие между поверхностной фазой и газом. Теория образования зародышей при фазовых переходах первого рода.
7. Растворы. Правило фаз. Осмотическое давление. Фазовые равновесия в растворах. Диаграммы состояния.
8. Квантовые жидкости.Сверхтекучесть гелия. Жидкие металлы.

8. Фазовые переходы.

1. Диаграммы состояния. Закон Клайперона-Клаузиуса. Критическая точка и физические свойства в ее окрестности. Критическая опалесценция. Соотношения между критическими показателями. Экспериментальные методы исследования критических точек. Методы термостатирования и получения низких температур.
2. Метастабильные состояния. Перегрев, переохлаждение. Давление насыщенных паров над раствором.
3. Адсорбция и хемосорбция. Взаимодействие молекул с поверхностью твердого тела. Мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция.
4. Плавление, кристаллизация. Возгонка и сублимация.

версия для печати