Фазовые переходы и критические явления: Рабочая программа дисциплины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

«УТВЕРЖДАЮ» Проректор по учебной работе _______________ В.Г. Мартынов «_____» _____________2001 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ И КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Направление подготовки дипломированного специалиста 650600 Горное дело Специальность 070600.02 Физические процессы нефтегазового производства

Москва 2001 г.

2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Цель преподавания курса - обеспечение теоретической и общефизической подготовки студентов на уровне, необходимом для инженерной и научной деятельности в нефтяной и газовой промышленностях, а также в области исследования свойств нефтей, газоконденсатных смесей и смесей газов. В результате у студента образуется комплекс знаний, необходимых для изучения специальных курсов по решению научноисследовательских,

проектных

и

эксплуатационных

задач,

овладение

которыми

необходимо для подготовки инженеров широкого профиля.

2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ После изучения дисциплины студент должен знать: -

классификацию фазовых переходов

-

теорию фазовых переходов Ландау, масштабную теорию критических явлений

-

основные свойства растворов, гипотезу изоморфизма

-

примеры и свойства динамически организующихся систем

-

свойства и способы термодинамического описания растворов углеводородов При завершении изучения дисциплины студент должен уметь:

-

ориентироваться в многообразии фазовых переходов

-

получать теоретические соотношения для характеристик вблизи точки перехода

-

различать типы фазовых диаграмм растворов углеводородов

-

классифицировать и описывать поведение природных растворов углеводородов

3. ОБЪЕМ ДИЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ Виды учебной работы Общая трудоемкость Аудиторные занятия Лекции Практические занятия (ПЗ) Семинары (С) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа Курсовой проект Расчетно-графические работы Реферат Вид итогового контроля

2

Всего часов

Семестр

105 54 54 51 26 25

5 5 5 5 5 5 Экзамен

3

4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 4.1. Разделы дисциплины и виды занятий № Разделы дисциплины 1 Идеальный газ, газ Ван-дерВаальса, критическая точка 2 Теория фазовых переходов Ландау 3 Масштабная теория критических явлений 4 Критические явления в растворах 5 Эксперимент в критической области 6 Фазовые переходы первого рода 7 Открытые системы

Лекции +

ПЗ -

С -

ЛР -

+

-

-

-

+

-

-

-

+

-

-

-

+

-

-

-

+

-

-

-

+

-

-

-

4.2 Содержание разделов дисциплины Раздел 1. Идеальный газ, газ Ван-дер-Ваальса, критическая точка. Введение. Фазовые превращения в процессах разработки и эксплуатации газоконденсатных и нефтяных месторождений Идеальный газ - первая фундаментальная модель физического строения материи. Фундаментальный

характер

модели

идеального

газа.

Учет

неидеальности.

Термодинамические неравенства и термодинамическая устойчивость. Неидеальный газ. Уравнение

Ван-дер-Ваальса.

Другие

уравнения

состояния

неидеального

газа.

Критическая точка. Специфика глубокозалегающих газоконденсатных месторождений Критическая

точка

- новая

фундаментальная

модель плотных флюидов.

Критическая точка и фазовые переходы второго рода. Аналогии различных фазовых переходов (сверхпроводимость, сверхтекучесть, ферромагнетизм и т.п.) с критической точкой жидкость - пар. Термодинамические неравества в критической точке.

Уравнение

Ван-дер-Ваальса

и

критические

параметры.

Уравнение

соответственных состояний. Термодинамические неравенства в бинарных растворах. Критические точки в бинарных растворах. Раздел 2. Теория фазовых переходов Ландау Параметр порядка и симметрия. Разложение Ландау. Основные результаты теории Ландау. Сравнение с экспериментом. Физическая причина нарушения теории Ландау. 3

4

Термодинамическая теория флуктуаций. Корреляционная функция флуктуаций параметра порядка.

Радиус

корреляции.

Природа

критической

универсальности.

Аномалия

теплоемкости в рамках теории Орнштейна-Цернике. Межфазное натяжение в рамках теории самосогласованного поля. Критическая адсорбция. Критерий применимости теории самосогласованного поля (критерий Гинзбурга). Раздел 3. Масштабная теория критических явлений Гипотеза масштабной инвариантности. Масштабные размерности физических величин и критические показатели. Концепция универсальности критических явлений. Связь термодинамических производных и корреляторов. Оценка высших корреляторов. Разложение масштабных функций в области слабых и сильных полей. Параметрическое уравнение состояния. Линейная модель. Поправки к асимптотическим законам. Критические

амплитуды.

Универсальные

отношения

критических

амплитуд.

Динамическая масштабная теория. Раздел 4. Критические явления в растворах Гипотеза изоморфности. Гипотеза перемешивания полей. Переход от изоморфных к экспериментальным переменным. Выражения экспериментально измеряемых величин через изоморфные переменные. Два вида равновесия в бинарных растворах (жидкость-газ и жидкость-жидкость). Классификация фазового поведения по характеру поведения критического локуса. Пограничные кривые и кривые сосуществования фаз в бинарных растворах.

Изоморфное

уравнение

состояния

растворов

в

критических

точках.

Применение к реальным газоконденсатным смесям. Раздел 5. Эксперимент в критической области Как

реализовать

экспериментальные

условия

наблюдения

универсальных

критических законов? Искажения характера аномалий измеряемых величин различными возмущениями

(примеси,

гравитационный

эффект,

градиенты

температуры,

неравновесность). Особенности обработки неаналитических зависимостей. Использование свойства однородности термодинамических величин. Результаты экспериментальных исследований равновесных и кинетических свойств

жидкостей.

Определение

критических

показателей

амплитуд.

Проверка

равновесной масштабной теории. Перенормировка критических показателей в растворах. Проверка динамической масштабной теории.

4

5

Раздел 6. Фазовые переходы первого рода Теория Ландау для фазовых переходов 1-го рода. Примеры фазовых переходов 1-го рода. Фазовые переходы в жидких кристаллах: нематики, смектики. Взаимодействие параметров

порядка.

Критические

точки

высшего

порядка:

бикритическая,

трикритическая, поликритическая. Фазовые переходы в растворах Не4-Не3. Использование достижений физики фазовых переходов для изучения коллективных явлений в других областях естествознания (астрофизика, физика моря и атмосферы, биология и экология). Раздел 7. Открытые системы Проблема устойчивости стационарных неравновесных состояний. Нарушение устойчивости стационарных состояний - аналог фазовых переходов. Примеры конвекция, порог генерации лазера, реакция Жаботинского, турбулентность. Теория диссипативных структур. Принцип минимума производства энтропии. Роль флуктуаций в образовании диссипативных структур. 5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ, ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ. 5.1. Лабораторный практикум Лабораторный практикум не предусмотрен. 5.2. Практические занятия Практические занятия не предусмотрены. 6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 6.1. Рекомендуемая литература а) основная литература 1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч.1, М., Наука, Физматлит,1995. 2. Паташинский А.З., Покровский В.Л. Флуктуационная теория фазовых переходов, М., Наука, 1982. 3. Анисимов М.А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах, М„ Наука, 1987. 4. Хакен Г. Синергетика. М., Мир, 1982 . 5.Степанова Г.С. Фазовые превращения в месторождениях нефти и газа. М., Недра, 1983 5

6

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины. 1. Расчетные компьютерные программы по фазовым переходам. 2. Видеоматериалы для компьютерной проекции . 7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Компьютерный

класс,

специализированная

аудитория

со

средствами

компьютерной проекции.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования подготовки дипломированных специалистов по направлению 650600 “Горное дело” специальности 070600.02 “Физические процессы нефтегазового производства”. Программу подготовили: Городецкий Е.Е., кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры физики Нагаев В.Б., кандидат физ.-мат. наук, профессор кафедры физики Программа одобрена на заседании Учебно-методической комиссии факультета Разработки нефтяных и газовых месторождений. Председатель методической комиссии факультета РНиГМ, профессор

Левицкий А.З.

Начальник УМУ, Шейнбаум В.С.

профессор

6