Chemická termodynamika a kinetika (FSI-WCT)

Akademický rok 2023/2024
Garant: prof. RNDr. Karel Maca, Dr.  
Garantující pracoviště: ÚMVI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem předmětu je seznámit studenty s vybranými základními pojmy, zákony a vztahy klasické chemické termodynamiky a kinetiky, které jsou třeba pro pochopení fyzikálně – chemické problematiky materiálových věd, tak aby je studenti dokázali aplikovat. Dalším, zdaleka nezanedbatelným úkolem předmětu, je rozvíjet logické a abstraktní myšlení studentů.
Výstupy studia a kompetence:
Student získá základní znalosti klasické chemické termodynamiky a kinetiky vybraných inženýrských procesů, pochopí jejich logickou výstavbu a naučí se je využívat při řešení inženýrských zadání a používat přitom literárních zdrojů a databází.
Prerekvizity:
Student potřebuje středoškolské znalosti matematiky a fyziky, a základní poznatky z chemie obecné, anorganické a organické minimálně na úrovni středoškolské.
Obsah předmětu (anotace):
Kurz se zabývá vybranými základními pojmy, zákony a vztahy klasické chemické termodynamiky a kinetiky, které jsou třeba pro pochopení fyzikálně – chemické problematiky materiálových věd. Chemická termodynamika je zaměřena na základní termodynamické zákony, termodynamické proměnné a vztahy, popis rovnováh v jednosložkových a vícesložkových homogenních i heterogenních soustavách, a na problematiku fázových diagramů. Pozornost je věnována také vícesložkovým chemicky reagujícím systémům a termodynamice kapilárních jevů. Kinetika uvádí základní kinetické koncepce fyzikálně – chemických dějů v heterogenních soustavách, zejména fázových transformací, difuze a slinování.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Výuka je doplněna výpočtovými a laboratorními cvičeními.
Způsob a kritéria hodnocení:
Podmínkami udělení zápočtu jsou účast ve cvičeních a splnění písemných testů. Jsou předepsány 2 kontrolní práce během semestru. Nutnou podmínkou pro získání zápočtu je, aby obě kontrolní práce byly klasifikovány lépe než známkou F (cvičící určí i opravné termíny do konce zkušebního období).
Zkouška prověřuje znalosti teorie a zejména její aplikace na příkladech. Je písemná a ústní. Průběh ústní zkoušky je zcela v kompetenci zkoušejícího. Zkoušející může modifikovat váhu písemné a ústní části a přihlížet k aktivitě studenta ve cvičeních. Zkoušející je povinen předem sdělit posluchačům (nejpozději na poslední přednášce) základní informace o průběhu zkoušky a také hlavní zásady týkající se klasifikace.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Podmínkou udělení zápočtu je přítomnost studenta ve všech cvičeních a splnění zadaných úkolů. Pokud student tuto podmínku nesplní, může mu být v odůvodněných případech stanovena náhradní podmínka.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  7 × 2 hod. povinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  6 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška

1.Struktura chemické termodynamiky: Klasifikace termodynamických systémů, proměnných a vztahů. Kritéria rovnováhy.


2. Termodynamické zákony: 1., 2. a 3. zákon termodynamiky.


3. Termodynamické vztahy a proměnné. Obecná strategie pro odvození termodynamických vztahů.


4. Rovnováha v termodynamických systémech: Obecné kritérium a obecné podmínky pro odvození termodynamické rovnováhy. Gibbsovo fázové pravidlo.


5. Jednosložkové heterogenní systémy. Jednosložkové fázové diagramy v (p,T) prostoru. Clausius - Clapeyronova rovnice.


6. Vícesložkové, homogenní nereagující systémy - roztoky. Parciální molární vlastnosti. Chemický potenciál ve vícesložkových systémech.


7. Vícesložkové heterogenní nereagující systémy. Popis vícefázových, vícesložkových, nereagujících systémů. Ideální roztoky, Raoultův zákon. Podmínky rovnováhy.


8. Vícesložkové, vícefázové reagující systémy: Reakce ve vícefázových systémech. Složky a sloučeniny ve fázových diagramech. Van’t Hoffova izoterma a její aplikace v materiálovém inženýrství.


9. Podmínky rovnováhy v systémech se zakřivenými povrchy. Kapilární jevy. Hranice zrn.


10.  Kinetika a dynamika dějů v tuhé fázi. Transportní děje v tuhých látkách. Difuze. Aktivační energie difúzního děje.


11. Slinování a růst zrn. Slinování v tuhé a kapalné fázi. Modely slinování.


12. Slinování a růst zrn. Slinování v přítomnosti tlaku. Růst zrn


13. Shrnutí témat ke zkoušce
    Laboratorní cvičení

1. Experimentální práce - FSI
2. Experimentální práce - CEITEC
    Cvičení s počítačovou podporou

  1. Úvodní neklasifikovaný test, chemické názvosloví

  2. Chemické rovnice, výpočty podle chemických rovnic

  3. Oxidačně redukční rovnice

  4. Termochemie – tepelné kapacity, reakční tepla

  5. Termochemie – závislost reakčního tepla na teplotě

  6. První písemný test

  7. Závislost Gibbsovy energie na teplotě

  8. Clapeyronova, Claussius-Clapeyronova rovnice

  9. Soustavy o více složkách, vyjadřování složení

  10. Povrchová energie, Laplaceův zákon

  11. Druhý písemný test


 
Literatura - základní:
1. R. T. De Hoff: Thermodynamics in Materials Science, McGraw Hill, New York 1993
2. W. J. . Moore, Fyzikální chemie, SNTL, Praha 1979
3. K. Maca: Základy chemické termodynamiky a kinetiky, učební texty ÚMVI, 2005
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
N-MTI-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 4 Povinný 2 1 Z