01.04.17 – химическая физика, в том числе физика горения и взрыва *

* Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. № 108
 

ЦЕЛИ  И ЗАДАЧИ  ПРОГРАММЫ-МИНИМУМ

Ключевые слова: химическая термодинамика, атомно-молекулярные процессы, уровни энергии, столкновения атомов, кристаллы, наноматериалы, фуллерены. химические реакции, катализ. горение газовых смесей, пламя, массообмен, фильтрационное горение, ударные волны, детонация, водород, топливные элементы, интерметаллиды.

Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 01.04.17 – химическая физика. в т.ч. физика горения и взрыва соответствует паспорту данной специальности.

Цель программы-минимум состоит в информационном обеспечении фундаментальной и общепрофессиональной подготовки аспиранта (соискателя) по специальности 01.04.17 – химическая физика. в т.ч. физика горения и взрыва.

Задачей программы является формирование у специалиста высшей квалификации общих методологических подходов к изучению цикла специальных дисциплин и их взаимосвязи со смежными областями, получение знаний, умений и навыков по теоретическим и практическим аспектам специальности 01.04.17 – 01.04.17 – химическая физика, в т.ч. физика горения и взрыва.

Требования к знаниям, умениям и навыкам аспиранта (соискателя).

Аспирант (соискатель) должен:

  • знать и владеть теоретическими основами в области химической физики, процессов горения;

  • уметь и владеть навыками проведения  лабораторного и вычислительного эксперимента.

Химическая термодинамика.

Термодинамические системы и параметры. Равновесные и неравновесные процессы. Первый закон термодинамики. Термические и калорические уравнения состояния.

Второе начало термодинамики. Вечный двигатель второго рода. Формулировки Клаузиуса и Томсона. Обратимые и необратимые процессы. Энтропия.

Термодинамические потенциалы для однородных систем и систем с переменным числом частиц. Химический потенциал. Условия равновесия термодинамических систем.

Гомогенные и гетерогенные системы. Фазы и компоненты. Фазовые переходы. Уравнение Клайперона-Клаузиуса. Правило фаз Гиббса. Растворы.

Термохимические процессы. Правило Гесса. Химическое сродство и его количественная мера. Условие химического равновесия. Стехиометрические коэффициенты. Закон действующих масс. Константа химического равновесия. Диссоциация. Термическая ионизация, формула Саха.

Электронное строение молекул. Элементарные атомно-молекулярные процессы.

Метод молекулярных орбиталей и его применение к двухатомным молекулам. Молекулярный ион водорода и молекула водорода. Силы Ван-дер-Ваальса. Водородная связь. Понятие о методе самосогласованного поля. Метод классической молекулярной динамики для расчета свойств молекулярных систем.

Упругие столкновения атомов. Полное и дифференциальное сечения рассеяния. Неупругие столкновения атомов и молекул. Вероятности переходов, сечения и константы скорости прямых и обратных процессов. Энергетическая динамика и селективная заселенность электронных, колебательных и вращательных состояний, равновесные и неравновесные распределения состояний. Вращательные уровни молекул. Колебания молекул. Классификация электронных состояний двухатомных и простейших многоатомных молекул. Взаимодействие электронного и вращательного движений в двухатомных молекулах. Электронно-колебательное взаимодействие. Колебательно- вращательное взаимодействие. Электронно-колебательно-вращательное взаимодействие в многоатомных молекулах. Вращательные и колебательно-вращательные спектры молекул. Электронные переходы. Превращение поступательной, вращательной и колебательной энергий при столкновениях. Релаксация по поступательным, вращательным и колебательным степеням свободы. Кинетические уравнения для заселенностей уровней энергии (в том числе при наличии химических реакций).

Возбуждение атомов и молекул электронным ударом. Фотоионизация. Рекомбинация электронов и атомов.

Строение и свойства твердого тела. Наноматериалы.

Природа сил взаимодействия в кристаллах. Симметрия и кристаллографические структуры. Колебания и волны в одномерной решетке. Колебания атомов трехмерной кристаллической решетки. Нормальные колебания. Электрон в периодическом поле. Приближение слабо и сильно связанных электронов. Структура энергетических зон твердого тела.

Виды, структура и свойства углеродных наноматериалов. Виды, структура и свойства фуллеренов и фуллереноподобных структур. Основные методы диагностики структуры твердого тела.

Химические реакции. Кинетическое описание химических реакций.

Механизм и скорость химической реакции. Кинетическое уравнение. Порядок реакции. Константа скорости и энергия активации. Необратимые и обратимые реакции первого и второго рода в открытой системе. Кинетика сложных (многостадийных) реакций. Лимитирующая стадия сложного химического процесса.

Фотохимические и радиационно-химические реакции. Механизм гомогенного катализа. Автокаталитические реакции.

Катализ на твердых поверхностях. Хемосорбция и механизмы реакций, протекающих на границе твердой и газовой фаз. Химические механизмы и физика каталитических процессов.

Понятие о цепном  механизме химических реакций. Зарождение, продолжение и обрыв цепей. Влияние диффузии на скорость цепного процесса.

Диффузия и теплопроводность в химически реагирующих газовых системах, основные понятия и уравнения.

Физика и химия горения и взрыва.

Медленное горение газовой смеси. Соотношения между термодинамическими величинами исходного и сгоревшего газов. Газодинамика медленного горения. Структура пламени и кинетика химических реакций в пламенах. Динамические режимы теплового взрыва, теория Зельдовича и др. Теория теплового взрыва Н.Н.Семенова.

Ламинарное горение. Распространение пламени в трубах и в ограниченных системах. Холодное водородное пламя. Пределы распространения пламени, теплопотери из зоны пламени. Теория Зельдовича- Франк-Каменецкого нормального ламинарного пламени. Массообмен и химические реакции в ламинарном пограничном слое.

Диффузионные пламена, модель Бурке-Шумана.

Турбулентное горение. Основы статистической теории турбулентности. Теория турбулентного распространения пламени. Генерирование турбулентности пламенем. Пределы распространения пламени в турбулентном потоке. Массообмен и химические реакции в турбулентном пограничном слое.

Зажигание горючей смеси искрой. Условия зажигания. Критическое условие зажигания. Теория твердофазного зажигания. Гетерогенная модель зажигания. Воспламенение дисперсных систем и мелкодисперсных металлов.

Механизм горения водородо-воздушной смеси. Механизм горения метано-воздушной смеси. Паро-воздушная газификация углерода, основные реакции.

Фильтрационное горение.

Структура пористых тел, модели пористых сред. Формы связи влаги с материалом.

Процессы тепло - и массопереноса в пористых средах. Феноменологические теории, квазигомогенное приближение и эффективные коэффициенты диффузии. Осреднение в теории пористых сред. Фильтрация, закон Дарси, формула Форчхеймера.

Многофазная фильтрация, коэффициенты внутреннего теплообмена, эффективной теплопроводности теплоносителя и эффективной диффузии. Кондуктивный теплоперенос в пористых телах. Коэффициент лучистой теплопроводности для пористых сред.

Фильтрационное горение газов в пористых средах, основные режимы. Сверхадиабатический эффект при фильтрационном горении, соотношение между максимальной температурой в зоне горения и скоростью движения фронта реакции. Влияние теплопотерь на динамику фронта.  Фильтрационное горение конденсированных систем. Технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС – технологии).

Ударные волны и детонация.

Распространение возмущений в потоке сжигаемого газа, число Маха, до – и сверхзвуковые течения. Стационарный поток сжигаемого газа. Возникновение поверхностей разрыва, граничные условия на поверхностях разрыва. Ударные волны, ударная адиабата. Направление изменения величины в ударной волне. Соотношения между термодинамическими параметрами в случае ударной волны в идеальном газе. Истечение газа через сопло.

Нестационарные движения газа, волны разрежения. Характеристики, инварианты Римана.

Механизм распространения горения, связанный с ударными волнами, детонационная волна. Граничные условия на детонационной волне, детонационная адиабата, точка Жуге. Соотношения между различными величинами в детонационной волне в идеальном газе.

Распространение детонационной волны. Пределы детонации, спиновая детонация. Критический диаметр детонации и его природа для гомогенных и гетерогенных веществ.

Физико-химические аспекты получения, хранения и использования водорода.

Краткие сведения о топливных элементах. Принцип действия топливного элемента. Основные типы топливных элементов (ТЭ): ТЭ на основе ионообменных мембран, фосфорнокислотные ТЭ, твердокислые ТЭ и др. Высокотемпературные и низкотемпературные мембраны. Возможные области применения химических источников тока на основе топливных элементов.

Синтез водорода, хранение и транспортировка водорода. Аккумулирование водорода в адсорбированном и хемадсорбированном состоянии, интерметаллиды.

Основы водородной взрывобезопасности.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. М.А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.; Физ.-       МатГиз, 1962.

  2. В.Н.Кондратьев, Е.Е. Никитин. Кинетика и механизм газофазных реакций. М.; Наука, 1974.

  3. Д.А. Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука.

  4. Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблатт, В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.

  5. Солоухин Р.И. Ударные волны и детонация в газах. М.: Физматиздат, 1963.

  6. Л.И. Хейфец, А.В. Неймарк. Многофазные процессы в пористых средах. М.: Химия, 1982.

  7. Добрего К.В., Жданок С.А. Физика фильтрационного горения газов. Мн.: ИТМО, 2002.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики: М; Высшая школа.

  2. 1974.

  3. В.Н.Кондратьев, Е.Е. Никитин. Кинетика и механизм газофазных реакций. М.; Наука, 1974.

  4. Дж. Наррел, С. Кетти. Дж. Теддер. Теория валентности. М.: Мир, 1968.

  5. Е.А. Мельвин-Хьюз. Равновесие и кинетика реакций в растворах. М.: Химия, 1975.

  6. Н.Н.Семенов. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М.: АН СССР, 1958.

  7. Я.Б.Зельдович, Ю.П.Райзер.Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966.

  8. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.

  9. Я.Б.Зельдович, А.С. Компанеец. Теория детонации. М.: ГТТИ, 1955.

  10. Б. Льюис, Г. Эльбе. Горение, пламя и взрывы в газах. М.: Мир, 1968.

  11. К.И. Щелкин, Я.К. Трошин. Газодинамика горения. М.: АН СССР, 1963.

  12. А.Ф.Беляев, В.К. Боболев и др. Переход горения конденсированных систем в взрыв. М.: Наука, 1973.

  13. В.Н. Вилюнов. Теория зажигания конденсированных веществ. М.: Наука, 1984.

  14. П.Ф.Похил, А.Ф. Беляев и др. Горение порошкообразных металлов в активных средах. М.: Наука, 1972.

  15. Г.Б. Манелис, Г.М. Низин, Ю.Н. Рубцов, В.А. Струнин. Теоретическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов. М.: Наука, 1996.

  16. Ачасов О.В., Кудрявцев Н.Н.. Новиков С.С.. Солоухин Р.И., Фомин Н.А. Диагностика неравновесных состояний в молекулярных лазерах. Мн.: Наука и техника, 1985.

  17. Н.В.Павлюкевич. Введение в теорию тепло-и массопереноса в пористых средах. Мн.: ИТМО, 2002.

  18. Мержанов А.Г. Тепломассообмен в процессах горения. Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1980. с. 36-58.

  19. Дорренс У.Х. Гиперзвуковые течения вязкого газа. М.: Мир, 1966.

  20. Алексеев Б.В. Пограничный слой с химическими реакциями. М.: ВЦ АН СССР, 1967.

  21. Фуллерены и фуллереноподобные структуры. Сб. научных трудов.: Минск, 2000, 2004.

  22. Монахов Т.В. Методы пожарной безопасности веществ М.Наука 1979