Metody syntezy zaawansowanych materiałów

dr inż. Wojciech Zając

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Energetyki i Paliw

Katedra Energetyki Wodorowej

CHEMIA FIZYCZNA

INFORMACJE PODSTAWOWE

Nazwa kursu: Chemia fizyczna

•

AGH, Wydział Energetyki i Paliw, kierunek: Energetyka

•

Poziom studiów: 1; Semestr: 5

•

Punkty ECTS: 4

Liczba godzin: 30 godz. wykład + 15 godz. ćwiczenia
Gdzie i kiedy:

•

Wykład: wtorki 9.30 – 11.00 D4, s. 8/9

•

Ćwiczenia: D9, s. 02

•

pon. 13.15 – 14.45 (gr. 5,6)

•

śr. 11.30 – 13.00 (gr. 1-4)

INFORMACJE PODSTAWOWE

Sposób obliczania oceny końcowej
Ocena kolokwium zaliczeniowego (100%)

Wymagania wstępne i dodatkowe
Znajomość podstaw chemii, termodynamiki i fizyki

Zalecana literatura i pomoce naukowe

•

Chemia Fizyczna, P.W. Atkins, PWN 2001,

•

Chemia Fizyczna, K. Pigoń, Z. Ruziewicz, PWN 2007,

•

Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów, R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach,

Instytut Chemii Fizycznej PAN i Szkoła Nauk Ścisłych, 2003

CHEMIA FIZYCZNA

•

Dział chemii zajmujący się wyjaśnianiem zjawisk
dotyczących fizycznych i chemicznych właściwości
materii

•

Chemia fizyczna zajmuje się badaniem makroskopowych
i atomowych cząstek i zjawisk w układach chemicznych
w zakresie praw i pojęć fizyki.

•

Chemia fizyczna stosuje zasady, metody i pojęcia fizyki
takie jak: ruch, energia, siła, czas, termodynamika,
chemia kwantowa, mechanika statystyczna i dynamika,
równowaga.

EFEKTY KSZTAŁCENIA

Student, który zaliczył moduł
wie/umie/potrafi

Wiedza

Rozumie przyczyny i mechanizmy
zachodzenia przemian fizycznych i
chemicznych

Zna formalizmy matematyczne związane z
opisem równowagi i dynamiki procesów
fizycznych i chemicznych

Umiejętności

Potrafi zastosować poznane formalizmy
matematyczne do opisu prostych problemów
technicznych

Kompetencje społeczne

Rozumie potrzebę poszerzania swojej wiedzy,
podnoszenia kompetencji zawodowych i
osobistych

PROWADZĄCY

Osoba odpowiedzialna za przedmiot:
prof. dr hab. inż. Janina Molenda
molenda@agh.edu.pl

Wykład, zaliczenia:
dr hab. inż. Konrad Świerczek, prof. AGH
xi@agh.edu.pl

Ćwiczenia:
mgr inż. Andrzej Kulka

akulka@agh.edu.pl

TREŚĆ WYKŁADÓW

Termodynamika chemiczna

Wprowadzenie do termodynamiki statystycznej

Przemiany fizyczne substancji czystych

Wprowadzenie do termodynamiki mieszanin

Równowagi fazowe w roztworach doskonałych

Reakcje chemiczne

Właściwości transportowe substancji

Kinetyka reakcji chemicznych

Dynamika molekularna reakcji chemicznych

10.

Powierzchnia ciał stałych

TERMODYNAMIKA CHEMICZNA

Podstawowe pojęcia i zerowa zasada termodynamiki: temperatura, ciśnienie, potencjał
chemiczny, energia wewnętrzna i I zasada termodynamiki: praca w procesie izobarycznym,
pojemność cieplna, energia wewnętrzna gazu doskonałego, praca w procesie izotermicznym,
entropia i II zasada termodynamiki: maksimum entropii w układzie izolowanym, silniki cieplne,
cykl Carnota, entropia gazu doskonałego, potencjały termodynamiczne: energia swobodna
Helmholtza, energia swobodna Gibbsa, entalpia, wielki potencjał termodynamiczny.

„Termo” + „dynamika” = przepływ ciepła

WPROWADZENIE DO TERMODYNAMIKI
STATYSTYCZNEJ

Rozkład stanów cząsteczkowych, energia wewnętrzna i entropia,
funkcja rozdziału dla zespołu kanonicznego, podstawowe równania
termodynamiki statystycznej, zastosowania termodynamiki
statystycznej.

PRZEMIANY FIZYCZNE SUBSTANCJI
CZYSTYCH

Klasyfikacja, warunek równowagi faz, wykresy fazowe, równanie Clapeyrona, równowaga
ciecz – para, równanie stanu van der Waalsa.

pV = nRT

TERMODYNAMIKA MIESZANIN

Równanie podstawowe i równanie Gibbsa-Duhema, cząstkowe wielkości molowe i funkcje
mieszania, warunek równowagi faz, reguła faz Gibbsa, mieszanina gazów doskonałych,
roztwór doskonały.

RÓWNOWAGI FAZOWE W ROZTWORACH
DOSKONAŁYCH

Ciśnienie osmotyczne, prawo Raoulta, prawo Henry’ego, rozpuszczalność ciała stałego w
cieczy, eutektyki proste. Roztwory rzeczywiste: funkcje nadmiarowe, lotność, aktywność,
równowagi fazowe w roztworach rzeczywistych.

WŁAŚCIWOŚCI TRANSPORTOWE SUBSTANCJI

Właściwości transportowe substancji

Efuzja, dyfuzja, ruchliwość jonów.

KINETYKA REAKCJI CHEMICZNYCH

Empiryczna kinetyka chemiczna (szybkość, rząd i cząsteczkowość reakcji), równania
kinetyczne, reakcje elementarne, reakcje odwracalne, równoległe i następcze, reakcje
łańcuchowe, polimeryzacja, kataliza homogeniczna, reakcje oscylujące, chaos chemiczny.

METODA NAUKOWA

•

Prawo naukowe – podsumowanie doświadczeń, np. prawo Boyla-Mariotta pV=const

•

Hipoteza – próba wyjaśnienia zjawiska (hipoteza atomistyczna Daltona)

•

Teoria – system twierdzeń logicznie i rzeczowo uporządkowanych (teoria kinetyczna
gazów, teoria kwantowa)

•

Model – uproszczona wersja układu odzwierciedlająca jego najważniejsze cechy

PODSTAWOWE POJĘCIA I DEFINICJE

Zasady termodynamiki:

•

0: (temperatura)

•

I: (energia=praca) bilans energii jest „zerowy”

•

II: (entropia) bilans energii jest „zerowy” w 0 K

•

III: (liczbowa wartość entropii) nie można osiągnąć 0 K

MATERIA

•

Substancja chemiczna – wyodrębniona, czysta postać materii o określonym składzie
chemicznym

•

Ilość substancji (liczba moli)

•

Wielkości ekstensywne (V, m, …) i intensywne (T, ρ, V

, c….)

Stężenie:
1 mol/dm

– jony są rozdzielone przez 3 cząsteczki wody

0,01 mol/dm

– jony są rozdzielone przez 10 cząsteczek wody

ENERGIA

•

Energia – zdolność wykonywania pracy

•

Prawo zachowania energii

•

Rodzaje energii: kinetyczna (1/2*mV

= p

/2m; ½ Iω

), potencjalna (mgh, q1*q2/(4πε0r))

•

Ekwipartycja – wszystkim stopniom swobody cząsteczki odpowiada taka sama energia.
Średnia energia związana z każdym członem kwadratowym wynosi ½ kT. Zasada
ekwipartycji została wyprowadzona na podstawie praw fizyki klasycznej (działa dla
translacji i rotacji cząsteczek, ale nie działa dla oscylacji)