Термодинамика и теплофизика мерзлых пород - учебный курс | ИСТИНА – Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных

Автор: Комаров И.А.
Год создания: 2018
Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
Описание: 1. Цели и задачи освоения дисциплины Целью освоения дисциплины является овладение методами термодинамики и теплофизики используемыми в геокриологи для прогноза изменения температурного, влажностного, ионно-солевого режима мерзлых и промерзающих пород, оценки возни-кающих в них полей напряжений и деформаций, а также прогноза свойств пород . Задачами освоения дисциплины являются: выработка навыков самостоятельной ра-боты по планированию, организации и проведению полевых и лабораторных экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных результатов; овладение методами классической, неравновесной и статистической термодинамики для выявления природы и механизма формирования свойств пород и интенсивности протекающих геокриологических процессов; овладение методами теплофизики для целей физического и математического моделирования динамики температурных и массовых полей, полей напряжений и деформаций при взаимодействии ММП с окружающей средой и инженерными сооружениями. 2. Место дисциплины в структуре ООП Термодинамика и теплофизика мерзлых пород является дисциплиной по выбору маги-стерской программы «Геокриология» блока профильной подготовки вариативной части учебного плана и базируется: на курсах блока общенаучной подготовки – Б.Б (Модуль Высшая математика, Физика, Химия общая) и блока общепрофессиональной подготовки – Б.В (Общая геология) базовой части учебного плана. Кроме того, студенты должны вла-деть основами профильных дисциплин блока профильной подготовки – В.Г (Гидрогеоло-гия, Инженерная геология, Гидрогеодинамика) вариативной части учебного плана, кото-рые читаются в 5-6 семестрах. Освоение данной дисциплины необходимо как предше-ствующей при освоении дисциплин читаемых в 10 и11 семестрах ( Инженерная геокриология, Криология планет Солнечной Системы), а также для выполнения научно-исследовательской работы и подготовки выпускных работ магистрантами, специализиру-ющимися по этой магистерской программе. 4. Структура и содержание дисциплины «Термодинамика и теплофизика мерзлых пород » Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часов, из них ….. часов – лекции; …. часов - практические занятия; ….. часов – самостоятель-ная работа студентов. Экзамен в 10 семестре. – 4.1 Структура дисциплины № п/п Раздел дисциплины Семестр Неделя семестра Виды учебной работы, включая самостоятель-ную работу студентов (трудоемкость в часах) Формы те-кущего кон-троля успева-емости (по неделям се-местра) Форма про-межуточной аттестации (по семест-рам) лекции семи-нары Практ заня-тия самост. работа 1 Введение: цель и задачи освоения дисциплины. Мерзлые породы как термо-динамические системы. Элементы классической термодинамики. Основные представления неравновес-ной и статистической тер-модинамики. 10 1-2 4 2 ММП и СМП как термоди-намические системы. Само-развитие и саморегуляция ММП. Обратные связи. Пределы применимости термодинамического метода для решения геокриологи-ческих задач. 10 2-3 2 8 3 Термодинамика жидкой фа-зы в мерзлых породах. Тер-модинамическое описание равновесия поровой влаги в талых и мерзлых породах. Фазовое, химическое и ад-сорбционное равновесие поровых растворов. 10 4-5 4 10 Реферат 4 Термодинамика твердой и газовой фазы. Термодина-мические характеристики основных породообразую-щих минералов и льда. Тер-модинамика газогидратов в мерзлых породах 10 6 2 4 5 Термодинамические модели и прогноз параметров и свойств засоленных, затор-фованных, крупнообломоч-ных пород и криопэгов. 10 7 -10 8 14 Реферат 6 Основы теории переноса тепла и массы в мерзлых и промерзающих (протаива-ющих) породах. Термоди-намика и механизмы про-цессов переноса тепла и массы.. 10 11 2 10 7 Моделирование процессов переноса тепло -и массопе-реноса при их взаимодей-ствии с окружающей средой и инженерными сооружени-ями. 10 12-13 4 16 Реферат 8 Промежуточная аттестация 10 14 зачет 9 Итог 10 14 28 66 108 . Содержание дисциплины Введение . Предмет, задачи и содержание курса; его методологическая основа. Связь с другими курсами. Молекулярно-кинетический и феноменологический (термоди-намический ) подходы. Основные представления молекулярно- кинетической теории при описании процессов происходящих в мерзлых и промерзающих породах. Пределы при-менимости термодинамического метода для решения геокриологических задач. Раздел I. Термодинамика мерзлых пород. I.1 Элементы классической термодинамики. Термодинамическая система. Компо-ненты системы. Термодинамические потенциалы. Энергия Гиббса и химический потенциал. Основные представления неравновесной и статистической термодинамики. I.2 Равновесие в многокомпонентных системах. ММП и СМП как термодинамические системы. Саморазвитие и саморегуляция ММП. Устойчивость и реакция (отклик) на внешние воздействия и индуцированные ими внутренние изменения. Обратные связи. I.3 Термодинамика жидкой фазы мерзлых породах. Общие аспекты термодинами-ческого описания равновесия поровой влаги в талых и мерзлых породах. Термодинами-ческое описание фазового равновесия во влагонасыщеных и невлагонасыщенных незасоленных породах. Влияние давления и учет механических взаимодействий со скелетом пород. Адсорбционное равновесие поровой влаги и равновесие лед- незамерзшая вода. Фазовое равновесие при наличии в поровой влаге ионов легкорастворимых солей. Термодинамика криопэгов. I.4 Термодинамика твердой и газовой фазы.Термодинамические характеристики основных породообразующих минералов и льда. Термодинамика основных физико-химических процессов происходящих в породах при фазовых переходах влаги. Поровые газы как идеальные или реальные газовые смеси. Термодинамические параметры тяжелых углеводородов. Равновесие углеводородных систем с конденсированными водными фаза-ми. Термодинамика газогидратов в мерзлых породах. I.5 Термодинамические модели и прогноз параметров и свойств мерзлых пород .Термодинамические модели и основные расчетные соотношения для прогноза температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды в незасоленных и засоленных породах, торфах и заторфованных породах, крупнообломочных породах с мелкодисперсным заполнителем. Специфика прогноза при малых и больших концентрациях порового раствора в породах с морским и континентальным типом засоления. Методика прогноза фазового и химического равновесия рассолов в криопэгах. Раздел II. Теплофизика мерзлых пород II.1 Основы теории переноса тепла и массы в мерзлых и промерзающих породах. Термодинамика и механизмы процессов переноса тепла и массы. Методы описания теплопереноса в мерзлых породах. Учет анизотропности, слоистости и трещиноватости массива. Учет процессов массопереноса, фазовых и химических превращений. Теплоперенос в упруго деформируемом массиве. Зависимость теплофизических характеристик от состава, строения пород и термобарических условий. II.2 Методы описания переноса влаги в жидкой и парообразных фазах. Миграция ионов легкорастворимых солей, тяжелых элементов, радионуклидов, органических и биологических примесей. Коэффициенты переноса влаги, ионов, радионуклидов, органических и биологических примесей и методы их прогноза. II.3 Обзор современных методов экспериментального определения тепло - и массообменных свойств пород в полевых и лабораторных условиях. Требования к аппаратуре. Ошибки измерений. Расчетные методы определения свойств пород. II.4 Кинетика фазовых превращений поровой влаги. Влияние фазовых переходов и химических взаимодействий на процесс миграции влаги и ионов. Миграция влаги в условиях простых нагружений (сжатие, сдвиг) и в пластически деформируемом массиве. II.5 Основы моделирования процессов тепло и массопереноса в массиве пород при их взаимодействии с окружающей средой и инженерными сооружениями. Методы физического моделирования: лабораторный, полунатурный и натурный эксперимент. Масштабный эффект. Методы теории подобия и теории размерностей. Применение тео-рии подобия при моделировании процесса взаимодействия участка газопровода с порода-ми ( по материалам франко-канадского и японского полунатурного эксперимента). Чис-ленный эксперимент его возможности и пределы применимости. Вероятностно-стахостические и детерминированные модели описания мерзлотных процессов, их досто-инства и недостатки. Обзор аналитических и численных методов решения геокриологи-ческих задач. II.6 Специфика моделирования процессов сезонного промерзания-оттаивания по-род при необходимости учета: темпа промерзания; периодичности изменения температур-ных условий на поверхности; теплообмена с подстилающими породами; наличия водо-носного горизонта. Виды граничных условий при реализации задач взаимодействия инженерных сооружений с породами. Многофронтовые, многомерные и другие модели промерзания-оттаивания пород. Энтальпийная постановка задачи. Задача о взаимодействии фронта промерзания с газогидратной залежью. Прогноз температурного режима пород для условий высокогорья. Задача Стефана с абляцией поверхности . II.7 Модели процесса промерзания-оттаивания пород с учетом влагопереноса и льдовыделения. Постановка задачи при наличии миграции влаги к фронту промерзания и льдовыделения .Промерзание пород с учетом пучения и образования ледяных прослойков в промерзающей зоне. Бесфронтовые модели. Модели процесса промерзания-оттаивания пород c учетом влагосолепереноса. Модель объемного промерзания с учетом солепереноса в мерзлой зоне и эффекта захвата солей льдом. Модель теплосолепереноса при допущении о поршневом механизме отжатия солей от фронта промерзания. Динамика оттаивания мерзлых пород шельфа в субаквальных условиях. Прогноз температурного режима криопэга и вмещающих пород. Моделирование процесса промерзания пород с учетом тепловлагопереноса и возникновения полей напряжений и деформаций. Моделирование формирования криотекстур. II .8 Моделирование динамики процесса морозного иссушения мерзлых пород. Термодинамика и механизм процессов сублимации льда и десорбции влаги в породе . Практические занятия (8 часов) 1. Расчетная оценка температуры начала замерзания, содержания незамерзшей во-ды и льда, теплофизических свойств пород (включая крупнообломочные, сильнольдистые и заторфованные) по литературным источникам и нормативной литературе (2 часа) 2. Расчет параметров фазового и химического равновесия (температуры замерза-ния, содержания незамерзшей воды, плотности, рН ) поровых растворов засоленных по-род, криопэгов и придонных пород щельфа северных морей с помощью компьютерной программы и с помощью приближенных соотношений (2 часа) 3. Экспресс-методики для расчетной оценки температурного режима и глубин се-зонного промерзания -оттаивания, случаи учета: нестационарности процесса теплообме-на; кинетики фазовых переходов и переохлаждения; периодичности изменения темпера-турных условий на поверхности пород на динамику процесса; теплообмена с подсти-лающими породами; заданного во времени законе снегонакопления на поверхности по-род; теплообмена с приземным слоем воздуха и продольно фильтрующим потоком влаги (4 часа) 5. Рекомендуемые образовательные технологии При реализации программы курса «Термодинамика и теплофизика мерзлых пород» ис-пользуются различные образовательные технологии. Во время аудиторных часов занятия проводятся в виде: - лекций с использованием ПК и мультимедийного проектора; литературных и норматив-ных источниками информации. - демонстрации возможностей компьютерных программам «FREZCHEM-2» «FREEZBRINE». «SOLMMP», Самостоятельная работа магистрантов включает индивидуальную работу: над рефера-том; выполнение заданных преподавателем расчетных задач; с рекомендуемыми литера-турными источниками и нормативными документами в библиотеке МГУ и библиотечном фонде кафедры геокриологии. 6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины «Термодинамика и теплофизика мерзлых пород ». В течение семестра в качестве формы текущего контроля используются: индивидуальное обсужде-ние с преподавателем выполненных заданий по написанию реферата и контрольный опрос по отдельным разделам лекционной части курса. Темы рефератов 1. Многолетне –и сезонномерзлые породы как термодинамические системы. 2. Термодинамическое описание фазового и адсорбционного равновесия во влагона-сыщеных и невлагонасыщенных незасоленных породах. 3. Термодинамическое описание фазового и химического равновесия в засоленных породах и криопэгах. 4. Природа, механизм и количественная оценка интенсивности миграции ионов лег-корастворимых солей, тяжелых элементов, радионуклидов, органических и биоло-гических примесей в мерзлых породах. 5. Термодинамика газогидратов в мерзлых породах. 6. Термодинамические модели и основные расчетные соотношения для прогноза температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды в незасоленных и засоленных породах, торфах и заторфованных породах, крупнообломочных поро-дах с мелкодисперсным заполнителем (включая нормативные документы) 7. Термодинамические модели и основные расчетные соотношения для прогноза теплофизических свойств незасоленных и засоленных породах, торфах и заторфо-ванных породах, крупнообломочных породах с мелкодисперсным заполнителем (включая нормативные документы) 8. Методы прогноза температурных и массовых полей, полей напряжений и дефор-маций в породах при их взаимодействии с природной средой 9. Специфика количественного описания процессов тепло - влагосолепереноса в дисперсных, скальных, и крупнообломочных грунтах. 10. Постановка задачи с явным и неявным выделением фронта промерзания. Обзор аналитических и численных методов решения задач промерзания –оттаивания по-род 11. Обзор экспресс –методик для оценки динамики температурных полей и мощности сезонного промерзания-оттаивания с учетом: темпа промерзания на динамику процесса; периодичности изменения температурных условий на поверхности по-род; теплообмена с приземным слоем воздуха и наличия на поверхности слоя теп-лоизоляции; взаимодействия фронта фазового перехода с продольно фильтрую-щейся водой. 12. Механизм и природа протекающих геокриологических процессов при наличии в массиве газогидратной залежи 13. Задача Стефана с абляцией поверхности. Модели описания процессов термоэро-зии и термообразии мерзлых пород. 14. Модели процесса промерзания-оттаивания пород c учетом тепло- влагосолепере-носа . 15. Методы прогноза теплового и водно-ионного режима засоленных пород , крио-пэгов и придонных слоев шельфа северных морей. Динамика оттаивания мерзлых пород шельфа в субаквальных условиях 16. Моделирование процесса промерзания пород с учетом тепловлагопереноса и воз-никновения полей напряжений и деформаций. Модели формирования криотекстур. 17. Моделирование динамики процесса морозного иссушения мерзлых пород. 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Термодинамика и теплофизика мерзлых пород» а) основная литература Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах. М.: Научный мир. 2003, 608 с. б) дополнительная литература Основы геокриологии, ч. 1, М.: Изд-во МГУ,1995, 368 с. Основы геокриологии. ч. 4, М.: Изд-во МГУ, 2001,687 с. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Основы моделирования криогенных физико-геологических процессов. M.: Наука, 1984, 230 с. . Королев В.А. Термодинамика грунтов М.: Изд-во МГУ, 1997, 165 с. Вуд Б., Фрейзер Д. Основы термодинамики для геологов. М. : Мир, 1981, 183 с. Истомин В.А.Термодинамика природного газа М.: изд-во ОАО «Газпром»,1999, 105 с. Комаров И.А. Прогноз температурного и ионно-солевого режима засоленных пород и криопэгов // Основы геокриологии, часть 6, М.: Изд-во Московского университета, 2008, с .214 -254. 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Для материально-технического обеспечения дисциплины «Термодинамика и теплофизи-ка мерзлых пород» используются: учебные пособия, компьютеры, интернет-ресурсы, специальное оборудование, библиотека и читальный зал геологического факультета МГУ, аудитория с мультимедийным проектором и персональными компьютерами. 9. Краткое содержание дисциплины (аннотация) Курс условно можно разделить на два раздела. В первом разделе дается представление о мерзлых породах как термодинамических системах и об основных элементах классиче-ской, неравновесной и статистической термодинамики, применительно к проблемам, ре-шаемым в геокриологии. Подробно рассматриваются термодинамические модели жид-кой, твердой и газообразной фаз в мерзлых породах, а также модели, используемые для прогноза параметров и свойств мерзлых пород. Второй раздел посвящен знакомству и освоению методов прогноза температурных и массовых полей, полей напряжений и де-формаций в породах при взаимодействии с окружающей средой, а также методов прогноза свойств пород, включая программный продукт и нормативные документы. 10. Учебно-методические рекомендации для обеспечения самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов заключается: в знакомстве и проработке геокриоло-гической информации, имеющейся в литературных и фондовых источниках и норматив-ных документах; написании рефератов по предложенным темам; решении практических расчетных задач сформулированных преподавателем с использованием учебной и спра-вочной литературы, а также вычислительной техники. Разработчик программы дисциплины Термодинамика и теплофизика мерзлых по-род» МГУ, геологический факультет, зав. лабораторией И.А. Комаров (место работы) (занимаемая должность) (инициалы, фамилия) Рабочий телефон, мобильный телефон, e-mail 93914 53, 8 903 255 27 25 Ilya_komarov@ mail.ru
Добавил в систему: Комаров Илья Аркадьевич

	ИСТИНА	Войти в систему Регистрация
	ФНКЦ РР
	Главная Поиск Статистика О проекте Помощь

ИСТИНА

ФНКЦ РР

Термодинамика и теплофизика мерзлых породучебный курс

Преподавание курса