Kunskapskrav
Från KFKA10
Det här är främst en lista över kunskaps- och färdighetskrav för att nå godkänt (betyg 3) på KFKA10 Termodynamik och ytkemi, tillsammans med konkreta exempel på hur kraven testas på en tentamen. Jämfört med de officiella kursmålen är denna lista mer detaljerad och därför mer praktiskt användbar. Längst ner står även några riktlinjer för högre betyg
Innehåll
Krav för godkänt (betyg 3)
Allmänt
Studenten ska
- förstå centrala termodynamiska begrepp och storheter, som jämvikt, ångtryck, entropi, entalpi och fri energi
- kunna analysera en praktisk frågeställning, göra rimliga antaganden och välja rätt beräkningsmodeller för att lösa problemet.
- kunna avgöra rimligheten i de svar som erhålls under problemlösning.
Egenskaper för gaser
Studenten ska
- vara säker på de grundläggande egenskaperna hos en ideal gas och vad dessa betyder termodynamiskt (t.ex. att frånvaron av interaktioner gör att inre energin inte beror på trycket).
- veta i vilka tillstånd (tryck, temperatur) som en gas beter sig mest idealt
- kunna diskutera avvikelser från ideal gas med hjälp av kompressionsfaktorn Z
- kunna utföra tillståndsberäkningar på ideal gas, samt reell gas beskriven med Z
- kunna förklara vad som händer när en gas kondenserar, och vad som ska vara uppfyllt för att det ska ske
- förstå begreppet partialtryck och dess koppling till molbråket för en gasblandning, samt kunna göra enkla beräkningar på gasblandningar
Första huvudsatsen
Studenten ska
- kunna skriva upp första huvudsatsen och veta vad termerna (värmen och arbetet) i den betyder.
- kunna diskutera och räkna på processer utifrån första huvudsatsen
- kunna beräkna arbetet vid processer under konstant volym eller tryck
- kunna beräkna värmen vid processer under konstant volym eller tryck
- kunna förstå och tolka begreppen isoterm, adiabatisk, isochor, isobarisk, reversibel och irreversibel samt veta hur dessa utnyttjas vid beräkning av differentiella samband (t.ex. att 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 dU=dw} för adiabatisk process, att 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 dU=C_V\,dT} för isochor process, eller att 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 dU=0} för isoterm expansion av en ideal gas).
- kunna beräkna termodynamiska storheter (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} , 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} , 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 S} ) för isoterm expansion/kompression av ideal gas, såväl reversibel som irreversibel
- kunna göra kvalitativa förutsägelser om vad som händer vid adiabatiska processer
Andra huvudsatsen
Studenten ska
- kunna resonera kvalitativt om möjliga och omöjliga processer utifrån termodynamikens andra huvudsats
- känna till Boltzmanns entropidefinition 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 S=k_B\,\ln W} och förstå vad 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} innebär
- förstå den klassiska defintionen av entropi, 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 dS=dq_{rev}/T} och kunna använda den i praktiska beräkningar
- kunna ange kriterier för processers spontanitet i 1) isolerade system 2) system under konstant tryck och temperatur, samt applicera dessa kriterier
- kunna utnyttja att entropin (och andra storheter) är en tillståndsfunktion för att dela upp komplicerade processer i beräkningsbara delsteg.
- förstå nyttan med definitionerna av entalpi, Gibbs energi och kemisk potential
Enkomponentsystem
Studenten ska
- kunna pricka in faserna (s), (l) och (g) i ett Tp-fasdiagram (alltså ett vanligt fasdiagram med tryck och temperatur på axlarna) samt veta vad faslinjerna, trippelpunkten och kritiska punkten betyder.
- beskriva hur ett system ser ut i en given punkt i ett Tp-fasdiagram samt kunna beskriva hur det förändras längs en ”resa” i fasdiagrammet.
- veta vad som menas med smältpunkt och kokpunkt (för ett givet tryck)
- veta vilka ekvationer som används för att beräkna faslinjerna samt principen för hur de används.
- kunna använda den integrerade versionen av Clausius-Clapeyrons ekvation för att beräkna nya punkter på faslinjerna
- veta relationen mellan 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_{\alpha\rightarrow\beta}S} 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_{\alpha\rightarrow\beta}H} då denna sker reversibelt (t.ex. vid normala kokpunkten).
Blandningar
Studenten ska
- med säkerhet kunna teckna molbråket för ett ämne i en blandning samt kunna göra omvandlingar mellan viktsprocent och molbråk.
- förstå begreppen ”ideal lösning” och ”idealt utspädd” lösning.
- förstå hur och varför den kemiska potentialen ändras med koncentrationen för ett ämne i en ideal lösning.
- med säkerhet skilja på betydelsen av begreppen ”ideal gas” och ”ideal lösning”.
- kunna använda Raoults lag för att beräkna ångtrycket över en ideal lösning från sammansättningen och vice versa.
- förstå begreppen aktivitet och aktivitetsfaktorer samt veta hur dessa är relaterade till ångtrycket över ett ämne i en blandning.
- kunna avgöra om smältpunkt och kokpunkt ökar eller minskar vid tillsats av främmande ämne, förklara varför ändringen sker, samt kunna utföra enkla beräkningar med hjälp av motsvarande formler.
- förstå uppkomsten av osmotiskt tryck samt kunna utföra enkla beräkningar med hjälp av ekvationen för osmotiskt tryck.
Kemisk jämvikt
- känna till begreppet standardtillstånd och veta de vanligast använda standardtillstånden för gas, fast ämne, vätska och löst ämne
- med säkerhet kunna teckna den termodynamiska jämviktskontanten K för en reaktion, och härvid använda rätt uttryck för aktiviteten för förekommande faser
- med säkerhet kunna relatera den termodynamiska jämviktskonstanten K till ändringen i Gibbs energi
- kunna skilja på betydelserna av 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_r G} 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_r G^\circ}
- förstå betydelsen av orden ”exoterm” och ”endoterm” samt veta hur K beror av temperaturen i det ena eller andra fallet.
- kunna avgöra om en jämviktssammansättning i gasfas är tryckberoende eller inte utifrån reaktionens stökiometri.
- kunna använda Le Chateliers princip
- kunna relatera 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_r H} , 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_r S} 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_r G} till varandra
Ytkemi
Studenten ska
- kunna förklara begreppen ytspänning och adsorption och deras orsaker och konsekvenser
- förstå begreppen Gibbs ytenergi, vätning, kontaktvinkel och kapillärstigning och kunna göra kvalitativa och kvantitativa förutsägelser involverande dessa begrepp
- känna till grundläggande egenskaper hos surfaktantlösningar och förstå varför och när miceller och andra aggregat bildas
- kunna förklara utifrån fysikaliska principer hur kolloidala system, som t.ex. suspensioner och emulsioner, kan vara kinetiskt stabila, samt hur stabiliteten beror på olika faktorer
- kunna beskriva grundläggande fenomen och tillämpningar som bygger på ytkemiska principer, som t.ex. molnbildning, detergenter, såpfilmer, flotation, emulgeringsmedel
Krav för högre betyg (4:a och 5:a)
För högre betyg krävs en djupare förståelse av alla ovanstående begrepp, samt det övriga innehållet i kursen. Dessutom krävs utökade färdigheter i att hantera dem matematiskt, t.ex.
- ställa upp differentiella samband och integrera dem med korrekt hantering av start- och sluttillstånd. Detta kan gälla alla delar av kursen, t.ex. adiabatiska processer för ideal gas, volymsändringar för vätskor, T(p) för fasjämvikter etc.
- utnyttja definitioner och ekvationer för att härleda nya samband som kan användas för att beräkna det som efterfrågas
- ställa upp samband i linjär form och utföra linjär regression på miniräknaren för att bestämma termodynamiska storheter
- lösa mer komplicerade ekvationer (även numeriskt eller grafiskt)
Dessutom krävs förmågan att
- kombinera olika delar av termodynamiken för att lösa mer avancerade problem
- tydligt definiera vilka antaganden man gör och under vilka förutsättningar de gäller
- resonera om giltigheten för de modeller man använder
- diskutera fördelar och nackdelar med olika tillämpningar av termodynamik och ytkemi
I ytkemin tillkommer beräkningar med Kelvins ekvation, Gibbs adsorptionsekvation och DLVO-ekvationen.
