Теплофизика: что это за наука и её роль в современной физике и энергетике
Теплофизика - это область физики, занимающаяся вопросами получения и использования тепла, и представляет собой совокупность дисциплин, составляющих теоретические основы энергетики. Теплофизика развивается как раздел физики и не может быть вне направлений теоретической и экспериментальной физики.
Важность этой науки сложно переоценить, ведь физики этого направления работают со стратегически важными проблемами энергетической отрасли. На мировой арене часто именно от степени развития энергетики зависит положение того или иного государства.
Часто специальность «Теплофизика» называют «сложной» специальностью: напряженная, интенсивная учеба и творческая, ответственная работа.
Основные механизмы теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение
Основные задачи и направления теплофизики
Теплофизика - это наука о потоках и распределении тепла. Предмет изучает такие тепловые процессы, как горение топлива, кипение, охлаждение и нагрев рабочих поверхностей, а также излучение света нагретым телом. Теплофизика разрабатывает схемы повышения эффективности энергетического оборудования.
Все перечисленные процессы являются основными, базовыми процессами производственных циклов ТЭС, АЭС, ТЭЦ. Однако знание особенностей протекания тепловых процессов необходимо и для задач самолето- и ракетостроения, космической техники и автоматики. Например, задача движения спутника в плотных слоях атмосферы или задача эффективного охлаждения быстродействующего процессора.
Если относить к теплофизике охлаждение за счёт излучения в определенных спектральных диапазонах, создание эффективных термоэлектриков, итп, то вполне себе магистральная наука.
Традиционное название "термодинамика" может ввести в заблуждение, поскольку эта наука рассматривает очень медленные процессы и ее правильнее было бы назвать "термостатика". Теплофизика же изучает реальные процессы, намного более сложные, и здесь еще очень многое предстоит сделать.
Замечу, кстати, что квантовая механика зародилась именно при изучении процессов энергообмена.
На вопросы теплофизики еще не дан исчерпывающий ответ. Понятие энтропии пока не вполне удалось решить с помощью статистической физики и математики. Теорема Больцмана доказана не очень корректно, вопрос стрелы времени связан с теплофизикой. Вообще, применение категорий теплофизики к черным дырам, геометрии пространства, квантовым объектам, флуктуациям вакуума...
Теплофизика наноструктур
При условии, что изучение наноструктур материи сегодня и есть одно из магистральных направлений в теоретической и экспериментальной физике, то без исследований дисциплинами входящими в состав Теплофизики никак не обойтись.
В качестве примера можно привести статью Хвесюка Владимира Ивановича "ТЕПЛОФИЗИКА НАНОСТРУКТУР - НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИКИ", которая опубликована в трудах седьмой российской национальной конференции по теплообмену (2018 год).
В работе излагается сущность аппарата теплофизики наноструктур. Показано, что в рамках этой дисциплины неприменим закон Фурье, а значит, не может быть использована классическая теория теплопроводности твердых тел. Из этого следует необходимость перехода к статистической теории, основанной на использовании уравнения Больцмана для описания процессов переноса тепла в наноструктурах. Это принципиально меняет аппарат, необходимый для изучения тепловых процессов в объектах будущих нанотехнологий.
Показано также, что кинетическая теория переноса тепла в полупроводниках и диэлектриках существенно отличается от подобных теорий процессов переноса в атомарных и молекулярных газах, а также в газе свободных электронов металлов.
Строительная теплофизика
Строительная теплофизика - это область знаний, которая изучает процессы передачи теплоты, переноса влаги и фильтрации воздуха в строительных конструкциях. Эта научная дисциплина также устанавливает методы исследования и расчета тепловых процессов в зданиях и их конструкциях. Важным аспектом строительной теплофизики является расчет сопротивления теплопередаче окон и других ограждающих конструкций.
Нормативные акты, которые регулируют требования к тепловой защите зданий, включают в себя СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий". В этом документе установлены требования к тепловой защите зданий в целях экономии энергии при обеспечении санитарно-гигиенических условий внутри помещений.
Теплоизоляция зданий - важный аспект строительной теплофизики
Подготовка специалистов-теплофизиков
Энергетиков теплофизиков можно по праву приравнять к «войскам стратегического назначения». Их цель - работать над фундаментальными вопросах развития и совершенствования энергетической отрасли, определять её будущее на десятилетия вперед. По этой же аналогии специалистов ИНЖЕНЕРНОЙ теплофизики можно сравнить с «мобильными войсками быстрого реагирования».
Поэтому теплофизиков готовят также в МИФИ, МАИ, МВТУ им. Баумана.
Теплофизики МЭИ работают в КБ и ОКБ (опытно-конструкторское бюро), НИИ и Федеральных научных центрах, коммерческих компаниях и на государственных предприятиях. В советский период кафедра Инженерной теплофизики МЭИ выпускала в год 60-70 инженеров, которые практически сразу же оправлялись работать на оборонный комплекс страны или разбирались атомной промышленностью. Мирным технологиям приходилось скромно стоять в стороне (подробнее смотри «История кафедры ИТФ»).
Инженеры-теплофизики приступили к решению усложнившихся задач энергетики - в самых разных отраслях и регионах, в проектных институтах, как в глобальных коммерческих концернах, так и в среднем бизнесе, ориентированном на сферу энергетики. Универсальных специалистов-теплофизиков, выпускаемым кафедрой Инженерной теплофизики МЭИ, остро не хватает. Для современной промышленности и производства их мало, очень мало.