Скачать 157.64 Kb.
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФМОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ИНСТИТУТ ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИТАЭ) ___________________________________________________________________________________________________________ Направление подготовки: 140700 Ядерная энергетика и теплофизика Магистерская программа: Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: очная РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В НАНОСТРУКТУРАХ»
Москва - 2011 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Целью дисциплины является систематизация полученных при изучении базовых дисциплин специальности знаний о тепловых процессах в наносистемах и наноструктурированных материалах, особенностях размерных эффектов и теплопереноса в одномерных, двумерных и трехмерных наноструктурах, теплопереносу в наножидкостях и нанокомпозитах, переносу тепла в наноструктурированных термоэлектрических материалах и особенностям радиационного переноса в наносистемах с учетом размерных и квантовых эффектов, ознакомление с современным состоянием исследований в соответствующих областях, приобретение навыков выполнения на этой основе инженерных расчетов для решения конкретных прикладных задач. По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:
Задачами дисциплины являются:
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла М.2 основной образовательной программы подготовки магистров, обучающихся по программе «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике» направления 140700 Ядерная энергетика и теплофизика. Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Математика», «Физика (общая)», «Прикладная физика», «Термодинамика», «Теория тепло- и массообмена», «Физика конденсированного состояния», «Квантовая и оптическая электроника» и учебно-производственной практике. Знания, полученные в ходе освоения дисциплины, необходимы при выполнении программы магистерской подготовки и оформления соответствующей выпускной диссертации. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования: Знать:
Уметь:
Владеть:
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 4.1 Структура дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции: 1 семестр 1. Введение в теплофизику микро- и наносистем Тепловые процессы и их эволюция. Нагрев и утилизация тепла в микроэлектронике Температурные градиенты внутри микро- и наноустройств. Эволюция скорости передачи данных. Методы охлаждения электронных устройств. Механизмы переноса тепла и охлаждение микроэлектронных устройств. 2. Пространственные и временные масштабы при внутреннем переносе энергии и тепла. Характерное распределение температуры в перспективном транзисторном узле. Кремниевая наноэлектроника – проблемы охлаждения. Углеродная наноэлектроника – проблемы охлаждения. Характерные объекты нанотеплофизики: простые, сложные, контактные. Примеры характерных объектов наноструктур для изучения переноса тепла.
Происхождение носителей тепла. Кристаллическая решетка и фононы. Колебания кристаллической решетки: один и два атома в ячейке. Акустические и оптические моды в кристалле. Фононы в конденсированном теле и их основные свойства. Статистика и плотность состояний фононов. Теплоемкость кристаллической решетки. Фононная теплопроводность диэлектриков.
Проблемы описания переноса тела с учетом размерных эффектов. Схема различных режимов переноса с учетом размерных эффектов. Теплоперенос в нанопроволоках. Кинетика описания переноса тепла в нанопроволоках. Метод вычисления теплопроводности нанопроволок. Теплопроводность нанопроволок Si: эксперименты и модели.
Теплоперенос в нанотрубках. Экспериментальные данные и модели переноса. Баллистический перенос тепла в ОСУНТ. Квантование теплопроводимости нанотрубок. Квазибаллистический теплоперенос в ОСУНТ. Особенности теплопроводности металлических нанотрубок. Диффузионный перенос в ОСУНТ. Крушение закона Фурье в нанотрубках. Термическая проводимость наноматов углеродных нанотрубок. Перенос тепла в графене. 2 семестр 6. Теплоперенос в нанокомпозитах. Типы нанокомпозитов и особенности переноса тепла в них. Микрокомпозиты и эффективная среда: модели и ограничения. Модели эффективного переноса тепла в нанокомпозитах. Роль термического сопротивления на границах. Тепловые свойства нанокомпозитов на основе углеродных нанотрубок и полиэтилена высокой плотности. Метод неравновесной молекулярной динамики при расчете теплопереноса в нанокомпозитах.
Общие свойства наножидкостей. Теплопроводность и конвективный перенос тепла в наножидкостях. Процессы кипения наножидкостей. Модели эффективной среды для наножидкостей. Экспериментальные данные по теплопереносу в наножидкостях.
Особенности гидродинамики в микро- и наномасштабах. Общие уравнения гидродинамики: вклад размерных эффектов. Граничное условие проскальзывания. Течения в плоских и каналах и каналах кругового сечения: течения Куэтта и Пуазейля с эффектами проскальзывания. Течения через мембраны с нанопорами. Течения внутри нанотрубок и полых нанопровлок. Двухфазные микро- и нанотечения. Системы и устройства с микро- и нанотечениями.
Общие свойства термоэлектричества. Наноматериалы в термоэлектрическом преобразовании энергии и термоэлектрическом охлаждении. Эффективность термоэлектрического преобразования. Расчет параметров переноса тепла в термоэлектрических наноматериалах.
Флуктуации электромагнитного поля как источник теплового излучения. Роль поверхностных поляритонов в формировании ближнего радиационного поля. Тепловая радиация в дальнем и ближнем поле. Особенности радиационного переноса тепла в наноструктурах. Вычисление тепловых радиационных потоков в конкретных наносистемах: между двумя плоскостями, между наночастицей и поверхностью, между двумя наночастицами. 4.2.2. Практические занятия 1 семестр Анализ методов вычисления переноса тепла. Вычисление теплопроводности на основе решений уравнения Больцмана. Методы расчета теплопроводности нанопроволок и нанотрубок. 2 семестр Вычисление теплопроводности нанокомпозитов. Расчет конвективного переноса тепла в наножидкостях. Вычисление радиационного переноса тепла между нанозазорами. 4.3. Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены 4.4. Расчетные задания 1 семестр Метод Монте Карло для уравнения Больцмана (нанопроволоки и нанотрубки). Метод молекулярной динамики для вычисления теплопроводности простейших наноструктур. Сравнительный анализ переноса тепла в различных нанотрубках. Вычисление теплопереноса в нанокомпозитах. Расчет конвективного переноса тепла в наножидкостях: плоские каналы и каналы кругового сечения. Вычисление радиационного переноса тепла между двумя наночастицами. 4.5. Курсовые проекты и курсовые работы учебным планом не предусмотрены 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Лекционные занятия проводятся в основном с использованием компьютерных презентаций, в том числе представленных на современных отечественных и зарубежных научно-технических конференциях. Практикуется также и традиционная форма изложения материала. В некоторых лекциях на ряде конкретных примеров проводится подробный анализ решения прикладных задач, что позволяет привить студентам навыки выполнения расчетов необходимых для разработки новых технических наноустройств. Самостоятельная работа включает подготовку к устным опросам (коллоквиумам) и контрольной работе, в том числе углубленное изучение ряда подразделов курса и подготовку к зачету. 6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Для текущего контроля успеваемости используются 1 семестр 1 опрос (коллоквиум), 1 контрольная работа. 2 семестр 1 опрос (коллоквиум), 1 контрольная работа. Аттестация по дисциплине – зачеты и экзамены - 1,2 семестры. Оценка за освоение дисциплины определяется как 0,75х оценка за контрольную работу + 0,25х оценка за расчетное задание. В приложение к диплому вносится оценка за 2 семестр 7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 7.1. Литература: а) основная литература:
б) дополнительная литература:
7.2. Электронные образовательные ресурсы: а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы: www.mit.edu – современные подходы и методы к процессам переноса в наносистемах и наноструктурах; http://www.cham.uk – современное программное обеспечение для расчет переноса тепла и гидродинамики; http://www.me.gatech.edu/~zzhang/ - методы расчета радиационного теплопереноса в микро- и наносистемах. б) другие: учебный фильм «Неизбежность странного мира» (квантовая механика); учебный фильм «Нанокомпозиты». 8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению подготовки магистров 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика» по магистерской программы «Нанотехнологии и наноматериалы в энергетике». ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ: проф., д.т.н. Дмитриев А.С. "УТВЕРЖДАЮ": Зав. кафедрой низких температур д.т.н., профессор Дмитриев А.С. |