Inför föreläsningen (arkiverad från 2017)
Innehåll
Föreläsning 14, måndag 4/12
På måndagens föreläsning ska vi avsluta det allmänna avsnittet om ytspänning genom att prata om Youngs ekvation och kapillärstigning. Därefter ska vi gå igenom adsorption och speciellt Gibbs adsorptionsekvation. En text till detta avsnitt finns på wiki-sidan: Adsorption
Föreläsning 12, tisdag 28/11
Texten om jämvikt är dels en förklaring och härledning av jämviktsekvationen, dels en beskrivning av vad som menas med standardtillstånd och hur det definieras för gaser, vätskor och lösta ämnen, och därmed hur aktiviteten (den effektiva koncentrationen som påverkar den kemiska potentialen) ska definieras vid praktiska räkningar.
I läsanvisningarna hänvisas också till ett ganska långt avsnitt ur Chemical principles, som innehåller följande:
- Kap 5G ger härledningen av jämviktsekvationen på ett lite mindre rigoröst sätt, och kan skippas om man läser kompendiet. Notera att det boken kallar molär Gibbs energi (Gm) är precis samma sak som kemisk potential.
- Kap 5H ger en räkneregel för jämviktskonstanter som ni annars lätt tänker ut själva. Vidare definieras Kc, i vilken även gasers koncentration anges i M. Det är bra att känna till denna ”jämviktskonstant med enhet”, och ni har nog använt den vid praktiska räkningar innan. I den här kursen kommer vi dock endast att använda den ”termodynamiska” jämviktskonstanten, där aktiviteten för gaser är partialtrycket dividerat med standardtrycket 1 bar.
- Kap 5I ger praktiska exempel på hur man räknar på jämvikter. Detta ska vara ren repetition av förra kursen, men observera att sådana beräkningar även ingår i vår kurs, fast bara med enkla reaktioner och utan att definiera olika varianter, som Ka, Kb, Ks etc. För att illustrera vad som ingår har vi ganska många övningsuppgifter på kemisk jämvikt, som förhoppningsvis kommer uppfattas som ganska enkla.
- Kap 5J beskriver Le Chateliers princip, som ni använt på förra kursen och är mycket användbar. Det ger exempel på hur man räknar på hur jämvikten förskjuts när totaltrycket ändras (observera att jämviktskonstanten INTE ändras). Dessutom härleds en formel för hur jämviktskonstanten beror på temperaturen om reaktionsentalpin och -entropin kan antas vara oberoende av temperaturen. Den kallas van’t Hoffs ekvation och finns med i formelsamlingen. Om reaktionsentalpin och -entropin inte kan antas konstanta behöver man använda den mer allmäna metoden som beskrivs i extramaterialet och som vi behandlat tidigare på kursen.
Föreläsning 8, onsdag 15/11
På onsdagens föreläsning ska vi fortsätta prata om fasjämvikter och ge exempel på hur vi använder Clapeyrons ekvation för smältpunktens tryckberoende och Clausius-Clapeyrons ekvation för sambandet mellan temperatur och ångtryck. En bra förberedelse är att läsa tillhörande avsnitt i boken, särskilt avsnitt 5A inklusive härledningen av Clausius-Clapeyrons ekvation på s 352. En lite mer noggrann beskrivning finns i labbhandledningen till destillationslabben.
Föreläsning 6, fredag 10/11
På fredagens föreläsning gör vi färdigt avsnittet om entropi. Därefter ska vi titta på Gibbs och Helmholtz fria energier och deras betydelse. Som förberedelse rekommenderas sidorna i boken (321-332, 335-336). Det kommer att finnas ett litet avsnitt om Helmholtz energi i extramaterialet för den intresserade, men det kommer inte finnas med uppgifter om Helmholtz energi på tentan.
Slutligen kommer vi också gå igenom teorin till datorlabben (Värmepump). Det är därför bra om ni har läst handledningen i förväg och tänkt igenom om ni har några frågor. Om ni är osäkra på programmering rekommenderar jag också att göra några förberedande MATLAB-övningar före datorövningen på måndag.
Föreläsning 5, onsdag 8/11
Onsdagens föreläsning kommer vi att ägna åt entropi, både hur den praktiskt beräknas och dess betydelse i termodynamikens andra huvudsats. I denna del täcks kursinnehållet i stort sett av texten i Chemical principles, med enda skillnaden att vi använder oss av det kraftfulla verktyget vi lärt oss tidigare, differentialkalkyl, för att beräkna entropiändringar även i problem där exempelvis värmekapaciteten inte är konstant. En bra förberedelse är därför att läsa de angivna avsnitten i boken (296-307, 314-319, och gärna även det mellanliggande avsnittet om den statistiska definitionen).
Föreläsning 4, måndag 6/11
Måndagens föreläsning kommer att repetera delar av det material som vi gått igenom på de två senaste föreläsningarna. Därefter ska vi fortsätta undersöka vad vi kan beräkna med hjälp av differentialer, och titta lite närmare på de icke-ideala termer som finns i uttrycken för inre energi och entalpi. Vi kommer att följa den text som ligger i extramaterialet, Differentialer för fasta ämnen och vätskor, så det är lämpligt att ha läst igenom denna i förväg.
Föreläsning 3, 3/11
Inför fredagens föreläsning rekommenderas att du, utöver den repetition som listades till förra föreläsningen, även läser extramaterialet Termodynamik med differentialer fram till och med avsnittet om adiabatisk expansion. Här är några frågor som du kan ha i åtanke medan du läser:
- Kan du komma på några exempel på processer som kan utföras längs två olika vägar så att sluttillståndet blir detsamma men q och w olika.
- Varför ökar värmekapaciteten med temperaturen? Finns det några kemiska ämnen för vilka den inte gör det?
- Vad blir entalpiändringen för en isoterm expansion av en ideal gas? Har detta någon djupare betydelse? (jag vet inte själv)
- Varför kan vi använda Misslyckades med att tolka (MathML med SVG- eller PNG-återgång (rekommenderas för moderna webbläsare och tillgänglighetsverktyg): Ogiltigt svar ("Math extension cannot connect to Restbase.") från server "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C_V} när vi räknar på adiabatisk expansion trots att volymen inte är konstant? Hade det gått att använda Misslyckades med att tolka (MathML med SVG- eller PNG-återgång (rekommenderas för moderna webbläsare och tillgänglighetsverktyg): Ogiltigt svar ("Math extension cannot connect to Restbase.") från server "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle C_p} istället?
- Jämför isoterm och adiabatisk expansion. Vilket tecken (+, - eller 0) har Misslyckades med att tolka (MathML med SVG- eller PNG-återgång (rekommenderas för moderna webbläsare och tillgänglighetsverktyg): Ogiltigt svar ("Math extension cannot connect to Restbase.") från server "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle q} , Misslyckades med att tolka (MathML med SVG- eller PNG-återgång (rekommenderas för moderna webbläsare och tillgänglighetsverktyg): Ogiltigt svar ("Math extension cannot connect to Restbase.") från server "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle w} och Misslyckades med att tolka (MathML med SVG- eller PNG-återgång (rekommenderas för moderna webbläsare och tillgänglighetsverktyg): Ogiltigt svar ("Math extension cannot connect to Restbase.") från server "https://en.wikipedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta U} för de två fallen.
Föreläsning 2, 1/11
Inför onsdagens föreläsning är det viktigt att du repeterar termodynamiken från grundläggande kemi, för vi kommer att utgå från att du kan de begreppen när vi tar fram de differentialuttryck som vi behöver för att kunna göra mer avancerade beräkningar på den här kursen.
Så titta på slides (Focus 4 2017) från KASA01 och se till att du förstår följande koncept:
- Skillnaden på temperatur och värme.
- Inre energi (vad ingår?)
- Två sätt att överföra energi:
- VÄRME: överföring av energi som sker som resultat av en temperaturskillnad
- ARBETE: överföring av energi som sker som resultat att ett objekt rör sig mot en motriktad kraft. Arbete kan alltid användas för att lyfta en vikt.
- Uppdelningen av världen i system och omgivning. Skillnaden på öppet, slutet och isolerat system. Vi kommer utöka definitionerna med att ett slutet system kan ha begränsningar i energiutbytet:
- en "fast gräns" gör att volymen är konstant och inget tryck-volymsarbete sker
- en "adiabtisk gräns" gör att ingen värmeöverföring sker.
- Ett isolerat system är sålunda ett slutet system vars gräns är både fast och adiabatisk.
- Värme som tillförs till systemet och arbete som utförs på systemet definieras som positiva tal (inom fysik används ibland motsatt konvention för arbetet).
- En tillståndsfunktion är en storhet som bara beror på systemets aktuella tillstånd och inte på vad som har hänt tidigare. Exempel på tillståndsfunktioner är volym (V), tryck (p), temperatur (T), inre energi (U), entalpi (H), entropi (S) och Gibbs fria energi (G). Däremot är värme och arbete INTE tillståndsfunktioner.
- Första huvudsatsen säger att ändringen i ett systems inre energi är lika med summan av tillförd energi i form av såväl värme som arbete.
- Den inre energin hos ett isolerat system är alltså konstant eftersom varken arbete eller värme utbyts med omgivningen.
- Tryck-volymsarbetet kan beräknas som trycket multiplicerat med volymsändringen, men bara om trycket är konstant. Minustecknet framför behövs för att uppfylla konventionen att arbete utfört på systemet ska vara positivt (om systemet t.ex. har ökat i volym har det utfört arbete på omgivningen och arbetet ska vara negativt).
- Värmekapaciteten talar om hur mycket värme som behövs för att höja temperaturen med 1 K. Vi kommer under föreläsningen ge mer exakta definitioner i form av partiella derivator.
- Vi kan tala om värmekapaciteten för systemet, då är det en extensiv storhet som beror av mängden. Vi kan också tala om den specifika värmekapaciteten (per kg) eller den molära värmekapaciteten (per mol) för ett ämne, då är det en intensiv storhet som inte beror av mängden (precis som t.ex. densitet).
- En värmekurva visar hur temperaturen beror på tillförd värme och kan ge information om både värmekapacitet och fasändringar.
- Definitionen av entalpi: H=U+pV
- Entalpin är användbar när man arbetar vid konstant tryck eftersom skillnaden i entalpi då motsvarar tillförd värme.
- Hur man räknar ut reaktionsentalpin för kemiska reaktioner, genom Hess lag och genom att använda standardbildningsentalpier från tabeller. Vi kommer inte lägga mer fokus på detta i vår kurs utan bara lära oss hur vi kan räkna ut reaktionsentalpin vid en annan temperatur (CP s 285-286).
Läs även de rekommenderade sidorna i CP.
Slutligen är det också viktigt att du har koll på föregående föreläsnings innehåll om gaser, vi kommer bara göra en kort repetition med clickers och sedan lämna detta avsnitt om gaser. I synnerhet ni som var osäkra på hur fasdiagram fungerar behöver tänka igenom materialet ordentligt. Det kan vara lämpligt att redan läsa sidorna 357-362 i CP (dessa sidor står på föreläsning 8 eftersom de involverar ångtryckets temperaturberoende, men de kan med fördel läsas nu eftersom fasdiagram hjälper till att förstå många andra delar av kursen).
