dr inż. Wojciech Zając

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Energetyki i Paliw

Katedra Energetyki Wodorowej

CHEMIA FIZYCZNA

Wykład 1

Wstęp

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
[e-mail]

Wykład, zaliczenia:
dr hab. inż. Konrad Świerczek, prof. AGH
[e-mail]

Ćwiczenia:
mgr inż. Andrzej Kulka

[e-mail]

TREŚĆ WYKŁADÓW

1.

Termodynamika chemiczna

2.

Wprowadzenie do termodynamiki statystycznej

3.

Przemiany fizyczne substancji czystych

4.

Wprowadzenie do termodynamiki mieszanin

5.

Równowagi fazowe w roztworach doskonałych

6.

Reakcje chemiczne

7.

Właściwości transportowe substancji

8.

Kinetyka reakcji chemicznych

9.

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.

REAKCJE CHEMICZNE

Warunek równowagi chemicznej, ciepło reakcji, reguła Le Chateliera, prawo działania mas,
prawo Hessa, praca reakcji

WŁAŚCIWOŚCI TRANSPORTOWE SUBSTANCJI

1.

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.

DYNAMIKA MOLEKULARNA REAKCJI
CHEMICZNYCH

Zderzenia reaktywne, teoria kompleksu aktywnego, dynamika zderzeń molekularnych.

POWIERZCHNIA CIAŁ STAŁYCH

Struktura i właściwości powierzchni ciał stałych. Wstęp do katalizy heterogenicznej.

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

m

, c….)

Stężenie:
1 mol/dm

3

– jony są rozdzielone przez 3 cząsteczki wody

0,01 mol/dm

3

– jony są rozdzielone przez 10 cząsteczek wody

ENERGIA

•

Energia – zdolność wykonywania pracy

•

Prawo zachowania energii

•

Rodzaje energii: kinetyczna (1/2*mV

2

= p

2

/2m; ½ Iω

2

), 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)

UKŁAD

otwarty

zamknięty

izolowany