Fizikai Kémia előadás és számolási gyakorlat kémia alapszakosoknak

Kötelező előadás

Előadás: tavaszi szemeszter, 3 óra/hét előadás, 1 óra/hét szeminárium (14 hét)     ECTS kredit: 3+1

Cél: A tantárgy épít a fizika (1) során megtanult ismeretekre, valamint a matematikai kalkulus ismeretére. Ezek alapján áttekinti a fenomenologikus termodinamika axiomatikus alapjait, valamint annak szerteágazó kémiai alkalmazásait. Vázlatosan összefoglalja a hagyományos termodinamikai alapvetést is. Rövid áttekintést nyújt transzportfolyamatok leírásáról, különös tekintettel a diffúzióra és az elektromos áram vezetésére. Részletesen foglalkozik töltött részecskéket tartalmazó rendszerek termodinamikájával, az elektrokémiai áramforrások közül főleg galváncellák egyensúlyi leírásával.

Követelmények: 

a.   A szorgalmi időszakban: az előadások látogatása nem kötelező, de az ott tanult ismeretek szükségesek a gyakorlatok elvégzéséhez. A gyakorlatok látogatása kötelező. A gyakorlaton rendszeresen házi feladatot kapnak, és 3-4 zárthelyi dolgozatot és egy házi dolgozatot írnak a hallgatók. Ezek kijavítása után az összesített eredmények alapján megajánlott jegyet kaphatnak a hallgatók. A gyakorlaton lehetőség van egy pótzárthelyi írására a teljes félévi anyagból.

b.   A vizsgaidőszakban: A megajánlott jegy hiánya vagy el nem fogadása esetén a hallgatók szóbeli vizsgát tesznek. A szóbeli vizsga előfeltétele a gyakorlaton elért megfelelő házi feladat és zárthelyi eredmény, vagy ezek hiányában a vizsga előtt megírt sikeres írásbeli elővizsga, illetve dolgozat.

Előadó: Keszei Ernő egyetemi tanár, Inzelt György egyetemi tanár

Előismeretek: Lehetőség szerint alapismeretek matematikai analízisből, elemi fizikából.

Számonkérés: Szóbeli vizsga.

Jelentkezés: Az ETR-en keresztül. Bölcsészhallgatók Keszei Ernőnél kaphatnak előzetes aláírást: ELTE lágymányosi kémiai épület (XI. Pázmány Péter sétány 1/A), 148. szoba , Telefon: 209-0555/1904,  e-mail: keszei@chem.elte.hu

Tematika

A termodinamika tárgyaköre. Mikroszkopikus és makroszkopikus viselkedés anyagi rendszerekben. A termodinamikai egyensúly természete. Munka, hő és belső energia, ezek mérhetősége. A termodinamika négy axiómája. Reverzibilitás és irreverzibilitás. Termodinamikai állapotfüggvények. A termodinamikai egyensúly feltétele termikus, mechanikai és kémiai kölcsönhatás esetén. Entrópia és energia-alapú fundamentális egyenletek. Az állapotegyenletek és a fundamentális egyenlet viszonya. Egyensúly termosztált és manosztált rendszerekben. Az U(S,V,n_i), H(S,P,n_i), F(T,V,n_i) és G(T,P,n_i) függvények és azok parciális deriváltjainak tulajdonságai. Formális összefüggések a termodinamikai függvények között. Az Euler egyenlet és a Gibbs-Duhem egyenlet. A Gibbs-féle fázisszabály. A Maxwell egyenletek. Ideális gáz és van der Waals gáz állapotegyenletei, fundamentális egyenlete. Folyadékok és szilárd anyagok állapotegyenletei. Körfolyamatok, hőerőgépek és hűtőgépek termodinamikai leírása. A klasszikus fenomenologikus termodinamika főtételei. Többkomponensű rendszerek termodinamikája. Ideális elegyek leírása. A kémiai potenciál koncentrációfüggése. Reális elegyek termodinamikai jellemzése. A többletmennyiségek és az aktivitás kapcsolata. Parciális moláris mennyiségek számítása kísérleti adatokból. Kétkomponensű rendszerek folyadék-gőz és szilárd-folyadék fázisdiagramjai. A Clausius-Clapeyron egyenlet. Desztilláció, frakcionált kristályosítás és zónaolvasztás. Emelőszabály. Azeotropos elegyek. Kolligatív sajátságok általános leírása. Többkomponensű rendszerek fázisdiagramjai. Elegyedő és nem elegyedő tartományok, azok hőmérsékletfüggése. Felületek termodinamikája. Görbült felületek tulajdonságai. Homogén kémiai reakciók termodinamikája. Az egyensúlyi állandó, annak hőmérséklet- és nyomásfüggése. A Gibbs-Helmholtz és a van’t Hoff egyenlet. A Le Chatelier-Braun elv. Transzportfolyamatok általános leírása: fluxusok és hajtóerők. Diffúzis differenciálegyenletek megoldásfüggvényei. Viszkózus folyás. A kinetikus gázelmélet és alkalmazása transzporttulajdonságok számítására.

Az elektrokémiai fogalmak kialakulásának rövid áttekintése. A galváncellák felépítése, a celladiagram. Potenciálkülönbség és egyensúly a fázishatárokon. Az elektrokémiai potenciál és tulajdonságai. A cellareakció standardpotenciálja és kapcsolata a cellareakció egyensúlyi állandójával. Töltött részecskék heterogén egyensúlya. A Volta- és a Galvani-potenciálkülönbség. Az elektródreakció potenciálja, az elektródpotenciál. Ionok képződési potenciálja.  Az ionvezető fázis. Hidratáció, szolvatáció. Az oldott elektrolitok aktivitása, aktivitási tényezője. Az elektroneutralitás tétele. Erős elektrolitok elmélete. A Debye-Hückel elmélet. Transzportfolyamatok elektrolitoldatokban. Elektródok fajtái és jellemzőik ismertetése. A pH és meghatározása. A diffúziós potenciál. A koncentrációs elemek.