| Course Unit Code | 651-0002/01 |
|---|
| Number of ECTS Credits Allocated | 6 ECTS credits |
|---|
| Type of Course Unit * | Compulsory |
|---|
| Level of Course Unit * | First Cycle |
|---|
| Year of Study * | Second Year |
|---|
| Semester when the Course Unit is delivered | Winter Semester |
|---|
| Mode of Delivery | Face-to-face |
|---|
| Language of Instruction | Czech |
|---|
| Prerequisites and Co-Requisites | Course succeeds to compulsory courses of previous semester |
|---|
| Name of Lecturer(s) | Personal ID | Name |
|---|
| SME06 | prof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D. |
| Summary |
|---|
| The matter of the subject is thermodynamics and chemical kinetics with theoretical cross-over in to the field of selected applications. |
| Learning Outcomes of the Course Unit |
|---|
Cílem předmětu je získání znalostí z fyzikální chemie, z oblasti termodynamiky/kinetiky a umět je aplikovat.
Cílem je umět definovat fyzikální, chemické a fyzikálně-chemické děje, termodynamické a kinetické pojmy a zákony.
Umět používat získané teoretické poznatky také na výpočetních a laboratorních cvičeních.
Ověřit si platnost vybraných fyzikálně-chemických zákonů v rámci laboratorních cvičení.
Umět demonstrovat a využívat nabyté znalosti na vybrané procesy: chemické, fyzikální a fyzikálně-chemické.
Cílem je seznámit studenty s možnostmi využití termodynamických veličin a funkcí a naučit je používat tyto veličiny a funkce pro popis chování systémů a dějů z teoretického i praktického hlediska.
Cílem je také získání vybraných znalostí z oblasti termo-fyzikálního chování.
Cílem je získání schopností sledovat, popsat/charakterizovat chemické, fyzikální a fyzikálně-chemické procesy a shrnout, objasnit a interpretovat základní principy, děje a procesy.
Sledovat a umět popsat souvislosti mezi výsledným chováním systémů/průběhem dějů a vlivem klíčových faktorů jako je teplota a tlak.
|
| Course Contents |
|---|
Přednášky:
1. Úvod do předmětu. Základní pojmy, soustava, termodynamické vlastnosti soustavy, termodynamický děj, termodynamické stavové veličiny a funkce. Plynný skupenský stav. Ideální a reálný plyn. Základní zákony pro ideální plyn a popis chování reálných plynů. Stavové rovnice.
2. Chemická termodynamika. Tepelné kapacity látek, výpočet, změny s teplotou a v průběhu chemické reakce. I. věta termodynamická, formulace a význam. Práce ideálního plynu. Teplo za stálého tlaku a objemu. Entalpie a vnitřní energie. Termodynamická definice molových tepel.
3. Ohřev a ochlazování látek. Reakční tepla. Termochemické zákony. Výpočet reakčních tepel. Závislost reakčního tepla na teplotě - Kirchhoffovy zákony a jejich použití. Teoretické reakční teplota.
4. II. věta termodynamická, její formulace a význam. Tepelný stroj, Carnotův cyklus. Entropie, její význam a změny pro vybrané procesy (děje). Termodynamické potenciály, Helmholtzova a Gibbsova energie, jejich význam pro rovnováhu a průběh dějů. Afinita. Spojení I. a II. VT, vztahy mezi termodynamickými stavovými funkcemi. Maxwellovy rovnice. Teplotní závislost Helmholtzovy a Gibbsovy energie, Gibbs-helmholtzovy rovnice a jejich použití.
5. Parciální molární veličiny, definice, vlastnosti. Chemický potenciál a jeho význam. Gibbs–Duhemova rovnice. Chemické rovnováhy. Rovnice reakční izotermy, pravá termodynamická rovnovážná konstanta. Vyjadřování rovnovážných konstant pro homogenní a heterogenní chemické reakce. Stupeň přeměny a výpočet rovnovážného složení. Vliv teploty a tlaku na rovnováhu chemické reakce. Rovnice reakční izotermy, izobary a izochory. Princip akce a reakce (Le Chaterier–Braunův).
7. Fázové rovnováhy. Gibbsův zákon fází, fáze, skupenství, složka, stupeň volnosti. Jednosložková soustava, fázový diagram, trojný bod. Rovnováha jednosložkové dvoufázové soustavy, Clapeyronova a Clausius–Clapeyronova rovnice. Rovnováha dvousložkové soustavy. III. věta termodynamická.
9. Chemická kinetika a její význam. Kinetika homogenních chemických reakcí. Základní pojmy, rychlost chemické reakce, Guldberg–Waagův zákon, kinetická interpretace rovnováhy, molekularita a řád chemické reakce, mechanismus. Kinetika reakcí1.řádu, poločas reakce. Kinetika reakcí 2. a vyšších řádů.
10. Mechanismus simultánních chemických reakcí, reakce protisměrné, souběžné a následné, matematické řešení. Závislost reakční rychlosti na teplotě (Arrheniova rovnice). Teorie reakční rychlosti, srážková teorie a teorie absolutních reakčních rychlostí. Závislost reakční rychlosti na tlaku.
11. Kinetika heterogenních chemických reakcí, články heterogenní kinetiky. Difúze, molekulární difúze, I. a II. Fickův zákon, následná a souběžná difúze, principy řešení. Vliv teploty na difúzní procesy. Adsorpce, fyzikální a chemická. Adsorpce plynů na tuhé fázi. Adsorpční izotermy, Freundlichova, Langmuirova, BET. Jednodušší aplikace spojování článků heterogenní kinetiky.
12. Termická disociace uhličitanů, oxidů, sulfidů, nitridů. Disociační teplota a napětí. Přímá a nepřímá redukce oxidů. Termodynamika a kinetika disociace a redukce. Boudouardova reakce. Topochemické reakce. Oxidace kovů.
13. Roztavené kovy a oxidické systémy. Struktura roztaveného kovu (základní teorie). Struktura roztavených oxidických systémů (molekulární a iontová teorie. Fyzikální vlastnosti roztavených systémů (viskozita, difúze, adsorpce a povrchové napětí).
14. Homogenní a heterogenní nukleace. Krystalizace. Nekovové fáze v kovu (termodynamika a kinetika jejich vznikuvzniku). Interakce plynů s roztaveným kovem. Sievertsův zákon.
Teoretická cvičení:
1. Úvod - seznámení s časovým harmonogramem cvičení, podmínkami pro získání zápočtu a doporučenou literaturou. Zákony pro ideální plyn a ideální plynné směsi, stavové rovnice pro reálný plyn.
2. Definice tepelné kapacity, její závislost na teplotě. Izobarická a izochorická tepelná kapacita. Molární a specifická tepelná kapacita. Pravá tepelná kapacita a střední hodnota tepelné kapacity. Změna tepelné kapacity při chemické reakci.
3. Ohřev a ochlazování látek (izobarický a izochorický ohřev). Ohřev látek s izotermní fázovou přeměnou. Kalorimetrická rovnice.
4. Reakční teplo, termochemické zákony (Lavoisierův a Hessův). Standardní reakční entalpie, slučovací entalpie, spalná entalpie a jejich vzájemné souvislosti.
5. Závislost reakční entalpie na teplotě (Kirchhoffovy rovnice). Reakční entalpie pro chemickou reakci s izotermickou fázovou přeměnou látek a bez této přeměny.
6. Změna entropie při ohřevu a ochlazování látek. Standardní reakční entropie a její závislost na teplotě. Standardní reakční Gibbsova energie a její závislost na teplotě.
7. Samostatná výpočtová práce I.
8. Chemické rovnováhy. Rovnovážné konstanty pro reakce homogenní a heterogenní. Rovnovážný stupeň přeměny a jeho aplikace při výpočtu rovnovážného složení a výpočtu rovnovážné konstanty.
9. Chemické rovnováhy. Rovnice reakční izotermy, izobary a izochory. Simultánní rovnováhy. Termická disociace sloučenin. přímá a nepřímá redukce sloučenin
10. Fázové rovnováhy v jednosložkové dvoufázové soustavě. Gibbsův fázový zákon. Aplikace Clapeyronovy a Clausius-Clapeyronovy rovnice.
11. Kinetika homogenních chemických reakcí. Výpočet reakční rychlosti (sledování časového průběhu reakce). Kinetické rovnice pro reakci 1. a 2. řádu. Závislost rychlostní konstanty na teplotě (Arrheniova rovnice).
12 Koncentrace roztoků a jejich vzájemné přepočty. Raoultův a Henryho zákon, ideální a velmi zředěný roztok.
13 Reálné roztoky neelektrolytů, různé pojetí aktivit. Rozpustnost plynů v kovech, Sievertsův zákon.
14. Samostatná výpočtová práce II.
Laboratorní cvičení
Součástí je seznámení studentů s bezpečností práce v laboratoři, s laboratorními úlohami, základními informacemi o průběhu cvičení a s požadavky pro zpracování protokolu.
1) Stanovení spalného tepla organických látek.
2) Stanovení rovnovážné konstanty disociace slabého elektrolytu.
3) Stanovení teplotní závislosti tlaku nasycených par kapaliny a její molární výparné entalpie.
4) Fázový diagram třísložkové soustavy.
5) Termický rozklad uhličitanů.
6) Adsorpce kyseliny šťavelové na aktivním uhlí.
7) Povrchové napětí vybraných kapalin metodou maximálního tlaku v bublince.
8) Stanovení hustoty vodných roztoků glycerolu v závislosti na koncentraci metodou ponorného tělíska a pyknometricky.
|
| Recommended or Required Reading |
|---|
| Required Reading: |
|---|
| [1] Atkins, P., de Paula, J. Physical Chemistry 9th Edition, Oxford University Press, New York, 2010. |
[1] Moore, W., J. Fyzikální chemie: příručka pro vysoké školy chemickotechnologické, SNTL, Praha, 1981.
[2] Kellö, V., Tkáč, A. Fyzikálna chémia: vysokoškolská učebnica, Alfa, Bratislava, 1977.
[3] Novák, J. a kol. Fyzikální chemie: bakalářský a magisterský kurz. VŠCHT, Praha, 2008.
[4] Peřinová, K., Smetana, B., Zlá, S., Kostiuková, G. Teoretické základy fyzikální chemie v příkladech, VŠB, Ostrava, 2018.
[5] Atkins, P., de Paula, J. Physical Chemistry 9th Edition, Oxford University Press, New York, 2010.
[6] Dudek, R., Peřinová K., Kalousek, J. Teorie technologických procesů. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2012. ISBN 978-80-248-2571-7. Dostupné z: https://www.vsb.cz/e-vyuka/cs/subject/619-2010/01.
[7] Dobrovská, J., Peřinová. K. Teoretické základy technologických procesů v příkladech, VŠB-TUO, 2018. Dostupné z: https://www.vsb.cz/e-vyuka/cs/subject/619-2010/01. |
| Recommended Reading: |
|---|
[1] Brdička, R. Základy fysikální chemie: vysokoškolská učebnice 2. vyd., Academia, Praha, 1977.
[2] Silbey, R., J., Alberty, R., A., Bawendi, M., G. Physical chemistry 4th Edition. Wiley, USA, 2004.
[3] Gaskell, D., R. Introduction to Thermodynamics of Materials, 3rd. Ed., Taylor and Francis, New York-London 1995, ISBN 1-56032-432-5.
|
[1] Brdička, R. Základy fysikální chemie: vysokoškolská učebnice 2. vyd., Academia, Praha, 1977.
[2] Silbey, R., J., Alberty, R., A., Bawendi, M., G. Physical chemistry 4th Edition. Wiley, USA, 2004.
[3] Gaskell, D., R. Introduction to Thermodynamics of Materials, 3rd. Ed., Taylor and Francis, New York-London 1995, ISBN 1-56032-432-5.
|
| Planned learning activities and teaching methods |
|---|
| Lectures, Individual consultations, Tutorials, Experimental work in labs |
| Assesment methods and criteria |
|---|
| Task Title | Task Type | Maximum Number of Points
(Act. for Subtasks) | Minimum Number of Points for Task Passing |
|---|
| Credit and Examination | Credit and Examination | 100 (100) | 51 |
| Credit | Credit | 45 | 20 |
| Examination | Examination | 55 | 51 |