- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali"

Raili Aho
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Luento 1: Yleistä kurssista ja sen suorituksesta Tiistai klo Kemiallisten prosessien edellytykset - Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali - Kineettiset edellytykset - Prosessi tapahtuu mielekkäässä ajassa - Reaktiokinetiikka - Aineensiirto - Lämmönsiirto - Tekniset edellytykset - Halutut ilmiöt tapahtuvat hallitusti - Ei-haluttujen ilmiöiden ehkäisy tai hidastaminen - Energeettiset edellytykset - Optimaalisten termofysikaalisten olosuhteiden luominen - Reagoivien aineiden kohtaaminen Mitä on termodynamiikka? - Fysikaalinen kemia pyrkii selittämään aineiden fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista tehtyjä havaintoja - Termodynamiikka on fysikaalisen kemian osa, joka tarkastelee - tasapainoja - todennäköisyyksiä - aineen olomuodossa, faasirakenteessa ja kemiallisessa laadussa tapahtuvia muutoksia sekä näihin liittyviä energian muutoksia (lämpö, työ, sisäinen energia) - Termodynamiikka ei tunne aikaa muuttujana

Prosessi tapahtuu mielekkäässä ajassa - Reaktiokinetiikka - Aineensiirto - Lämmönsiirto - Tekniset edellytykset - Halutut ilmiöt tapahtuvat hallitusti - Ei-haluttujen ilmiöiden ehkäisy tai

2 Termodynamiikkaa tekniikan opiskelijoille A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2012) - Kurssi ei esittele termodynamiikkaa kattavasti - insinöörille työkalu - Ymmärtää - Hallita - Suunnitella - Optimoida - Mallintaa - Säätää - Tietyn teoreettisen taustan osaaminen on kuitenkin edellytys työkalun mielekkäälle käytölle - Luotettavuus - Mahdollisuudet - Rajoitukset - Käyttökohteet Esitellään tapauksia, joissa termodynamiikkaa käytetään + Teoriaa niiltä osin kuin se on tarpeellista Mihin suuntaan kemialliset reaktiot tapahtuvat? Paljonko reaktioissa vapautuu/sitoutuu lämpöä? Mikä on suurin lämpötila, joka voidaan saavuttaa jotain ainetta polttamalla? Mikä on tuotteen koostumus tasapainossa? Mikä on suurin mahdollinen saanti? Miten reaktiotasapainoon vaikuttavat olosuhteiden muutokset? Mitkä olosuhteet valitaan, jotta reaktio olisi mahdollinen? - Termodynamiikan hyödyntäminen käytännön prosessiteollisuudessa - Uusien prosessien kehitys - Olemassa olevien prosessien ohjaus, säätö ja hallinta - Ongelmakohtien paikantaminen - Reklamaatiot - Termodynamiikan hyödyntäminen yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa - Laajemmat termodynaamiset tarkastelut - Uusien termodynaamisten mallien kehittäminen - Termodynaamisen datan määritys

tapauksia, joissa termodynamiikkaa käytetään + Teoriaa niiltä osin kuin se on tarpeellista Mihin suuntaan kemialliset reaktiot tapahtuvat? Paljonko reaktioissa vapautuu/sitoutuu lämpöä?

3 Fysikaalisen kemian opinnot osana prosessi- ja ympäristötekniikan opintoja - Deskriptiivisen vaiheen opinnot - Prosessitekniikan perusta (477011P) - Analyyttisen vaiheen opinnot - Taselaskenta (477201A) - Termodynaamiset tasapainot (477401A) - Reaktorianalyysi (477202A) - Synteesivaiheen opinnot - Prosessisuunnittelu (477203A) - Syventävät opinnot (DI-vaihe) - Kemiantekniikan termodynamiikka (477204S) - Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa (477412S) Ydinainesanalyysi Tieteellisen osaamisen näkökulma Ammatillisen osaamisen näkökulma Kurssin aikana kerrattava pohjatieto Termistöä. Lämpökemian perusteet. Aine- ja lämpötaseiden laadintaa. Ydinaines Must know Termistöä. Entropia. Gibbsin energia. Yksinkertaisten termodynaamisten tasapainojen määritys prosessitekniikan kohteissa. Täydentävä tietous Should know Epäideaalisuus. Aktiivisuuskerroin. Termodynaamisten tasapainonlaskentaohjelmistojen hyödyntäminen tasapainojen määrityksessä. Lisätietämys Nice to know Esimerkkitapauksia prosessiteollisuudesta. Tasapainojen graafinen esittäminen.

termodynamiikka (477204S) - Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa (477412S) Ydinainesanalyysi Tieteellisen osaamisen näkökulma Ammatillisen osaamisen näkökulma Kurssin aikana kerrattava pohjatieto

4 Aikataulu ja luentojen sisällöt A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2012) Päivä Aika Sali Aihe Ma TF103 Mikroluokkaharjoitus ryhmälle 1: HSC Ti PR Reaktioyhtälön kirjoittaminen ja stökiömetriset kertoimet To PR Lämpökemiaa, osa 1 Ma TF103 Mikroluokkaharjoitus ryhmälle 2: HSC Ti PR Lämpökemiaa, osa 2 To PR Entropia Ma TF103 Mikroluokkaharjoitus ryhmälle 3: HSC Ti PR Puhtaiden aineiden väliset reaktiot To PR Kaasutasapainot Ma TF103 Mikroluokkaharjoitus ryhmälle 4: HSC Ti PR Faasitasapainot To PR Epäideaalisuus ja aktiivisuuskerroin Ma TF103 Mikroluokkaharjoitus ryhmälle 5: HSC Ti PR Termodynaamisten tasapainojen graafinen esittäminen, osa 1 To PR Termodynaamisten tasapainojen graafinen esittäminen, osa 2 Suoritustapa Kurssin aikana kootaan kurssin sisältöön liittyvää materiaalia, joista kurssin päätyttyä kootaan ns. näyteportfolio, jolla osoitetaan opettajalle, että työn tekijä on oppinut kurssin kannalta keskeiset asiat (ks. ydinainesanalyysi). Näyteportfolion rakenne: - Teoriaosio (Luentomateriaalin luku 9 Vastaukset lyhyisiin kysymyksiin, 10 kpl, tai esseetehtäviin, 3 kpl). Voi olla myös omaaloitteisesti laadittu teoriaosio, jossa on esitetty vastaavat asiat. - Tehtäväosio (Ratkaisut annettuihin kotitehtäviin, 5 kpl) Voi sisältää myös muita tehtäviä ratkaisuineen. - HSC-osio (Ohjeistus mikroluokkaharjoituksen yhteydessä) Pakollinen! Tehdään pareittain. Kotitehtävän 5 ja teoriatehtävien viimeinen palautuspäivä on Kotitehtävien 1-4 ratkaisut on palautettava seuraavan luentokerran alkuun mennessä. Mikroluokkaharjoituksen työselostus on palautettava kahden viikon kuluessa harjoituksesta. Muut suoritustavat ovat mahdollisia vain erikseen sovittavissa erikoistapauksissa.

10. 10-12 PR104 5 - Puhtaiden aineiden väliset reaktiot To 25.10. 14-16 PR105 6 - Kaasutasapainot Ma 29.10. 14-16 TF103 Mikroluokkaharjoitus ryhmälle 4: HSC Ti 30.10. 10-12 PR104 7 - Faasitasapainot To 1.

5 Luento 1: Reaktioyhtälön kirjoittaminen ja stökiometriset kertoimet sekä pitoisuusyksikköjen muuttaminen toisikseen Tiistai klo Reaktioyhtälön kirjoittaminen Prosessiteollisuudessa joudutaan usein tekemisiin monimutkaisten reaktioiden ja niiden kombinaatioiden kanssa. Stökiömetrisiä suhteita, jotka sitovat toisiinsa reaktioihin osallistuvia ainemääriä ei kannata arvailla ne on laskettava. Reaktioyhtälöitä kirjoitettaessa on aina huomioitava, että: - molemmilla puolilla yhtälöä on sama ainemäärä kaikkia alkuaineita - molemmilla puolilla yhtälöä on sama sähkövaraus Määritys esim. muodostamalla ja ratkaisemalla yhtälöryhmä ks. harjoitustehtävät ja niiden ratkaisut Mooliosuudet ja massaprosenttiosuudet Seosfaaseista puhuttaessa pitoisuudet voidaan ilmoittaa joko mooliosuuksina, tilavuusosuuksina tai massaprosenttiosuuksina. Tarvittaessa on osattava tehdä muutokset pitoisuusmuuttujien välillä. Muutoksia varten on tunnettava seoksessa mukana olevien aineiden moolimassat (g/mol) ja tiheydet (g/cm 3 ) sekä yhtälöt, joilla ainemäärien, massojen ja tilavuuksien - sekä sitä kautta mooliosuuksien, massaprosenttiosuuksien ja tilavuusosuuksien - väliset suhteet saadaan kuvattua: n = m/m = m/v n on ainemäärä m on massa M on moolimassa on tiheys V on tilavuus Lisäksi on muistettava, että: Mooliosuus: X i = n i /n tot Massaprosenttiosuus: [p-%] i = m i /m tot

Stökiömetrisiä suhteita, jotka sitovat toisiinsa reaktioihin osallistuvia ainemääriä ei kannata arvailla ne on laskettava.

6 Tehtäviä luennolle A - Termodynaamiset tasapainot (Syksy 2012) 1. Määritä seuraavan reaktion stökiömetriset kertoimet: v 1 Fe 3 O 4 (s) + v 2 (FeS) kivi + v 3 SiO 2 (s) = v 4 Fe 2 SiO 4 (l) + v 5 SO 2 (g) 2. Määritä seuraavan ionireaktion stökiömetriset kertoimet: v 1 Cr 2 O v 2 Fe 2+ + v 3 H 3 O + = v 4 Cr 3+ + v 5 Fe 3+ + v 6 H 2 O 3. Sähkökemiallinen reaktio. Kuparikiisun anodisessa liuotuksessa eräs mahdollinen reaktio on raudan liukeneminen selektiivisesti samalla kun kuparikiisu muuttuu borniitiksi: CuFeS 2 (s) - v 1 e - = v 2 Cu 5 FeS 4 (s) + v 3 Fe 2+ (aq) + v 4 S (s) Mitkä ovat reaktion stökiömetriset kertoimet? Entä mikä on kokonaisreaktio ja sen kertoimet? Elektrolyyttinä käytetään rikkihappoliuosta, ja katodilla vapautuu vetykaasua (H 2 ). 4. Wüstiitti, FeO tai FeO x on epästökiömetrinen yhdiste, joka koostuu kahden- ja kolmenarvoisista rautaioneista (Fe 2+ ja Fe 3+ ) sekä happi-ioneista (O 2- ) ºC:ssa tasapainossa magnetiitin kanssa sen happipitoisuus on 25 p-% ja tasapainossa metallisen raudan kanssa sen happipitoisuus on 23,2 p-%. (a) Kuinka paljon hiilimonoksidia kuluu, kun wüstiitti pelkistyy magnetiittirajalta rautarajalle. Reaktio on muotoa: FeO x + v 1 CO = FeO x + v 1 CO 2 (b) Kuinka paljon wüstiiteissä FeO x ja FeO x on Fe 2+ :aa ja Fe 3+ :aa yhtä wüstiittimoolia kohden?

Määritä seuraavan ionireaktion stökiömetriset kertoimet: v 1 Cr 2 O 7 2- + v 2 Fe 2+ + v 3 H 3 O + = v 4 Cr 3+ + v 5 Fe 3+ + v 6 H 2 O 3. Sähkökemiallinen reaktio.

7 5. Suurin osa raudasta valmistetaan masuunilla, jonka tuotteena saatava ns. raakarauta sisältää noin 4,5 p-% hiiltä. Mikä on tällöin hiilen mooliosuus raaka-raudassa (= Fe-C-seos)? M Fe = 55,845 g/mol M C = 12,011 g/mol 6. Nesteseos sisältää 5 til-% etanolia (C 2 H 5 OH) ja loput vettä (H 2 O). Mitkä ovat etanolin ja veden mooliosuudet ja massaprosenttiosuudet ko. liuoksessa? M H2O = 18,015 g/mol H2O = 1,000 g/cm 3 M C2H5OH = 46,068 g/mol C2H5OH = 0,789 g/cm 3

Nesteseos sisältää 5 til-% etanolia (C 2 H 5 OH) ja loput vettä (H 2 O).

Samankaltaiset tiedostot

Johdanto Termodynaamiset tasapainot -kurssiin Mihin termodynamiikkaa käytetään?

Johdanto Termodynaamiset tasapainot -kurssiin Mihin termodynamiikkaa käytetään? Keskiviikko 26.10.2016 klo 8-10 Luennon tavoite Oppia mitä termodynamiikalla tarkoitetaan Tunnistaa termodynamiikan käyttömahdollisuudet