Θερμοδυναμική

Στοιχεία Μαθήματος
Διδάσκων (Διδάσκοντες):
Μεταπτυχιακά Μαθήματα, Χειμερινό
Τύπος μαθήματος: Κορμού
Γλώσσα Διδασκαλίας: Αγγλικά/Ελληνικά
Κωδικός Μαθήματος: GCHM_Β301
Μονάδες ECTS: 12
Διαθέσιμότητα μαθήματος σε φοιτητές Erasmus: Όχι
Λεπτομέρειες Μαθήματος

Να εμβαθύνει ο φοιτητής στην επιστήμη της θερμοδυναμικής. Να μπορεί να χρησιμοποιεί τις αρχές και τους νόμους της στην ανάλυση φυσικών και χημικών διεργασιών, σε υπολογισμούς ανταλλαγής θερμότητας και έργου, στον υπολογισμό ισορροπίας φάσεων, στον υπολογισμό θερμοδυναμικών συναρτήσεων και θερμοδυναμικών παραγώγων.

Στο τέλος του μαθήματος, ο φοιτητής θα μπορεί:

  1. να εφαρμόζει τον 1ο και τον 2ο θερμοδυναμικό νόμο ώστε να αναλύει διεργασίες ανταλλαγής θερμότητας και έργου απουσία και παρουσία χημικής αντίδρασης.
  2. να υπολογίζει τις θερμοδυναμικές ιδιότητες ενός συστήματος (ιδιαίτερα θερμοδυναμικές παραγώγους) από την γνώση των ιδιοτήτων PVT του συστήματος
  3. να υπολογίζει ισορροπίες φάσεων για πλήθος συστημάτων (μίγματα αερίων, διαλύματα υγρών, διαλύματα αερίων-υγρών, διαλύματα υγρών – στερεών, διαλυτότητα στερεών σε υγρά, διαλύματα στερεών-στερεών κλπ)
  4. να υπολογίζει με ακρίβεια τη σταθερά μιας χημικής αντίδρασης σε ένα εύρος συνθηκών (θερμοκρασίας, πίεσης, συγκέντρωσης) από ελάχιστα βιβλιογραφικά δεδομένα
  5. να αναλύσει συστηματικά και διεξοδικά μια διεργασία παραγωγής έργου μέσω χημικής αντίδρασης (πχ σε κελίο καυσίμου) και να εκτιμά το έργο που μπορεί να αποδοθεί

 

Δεν έχουν θεσμοθετηθεί προαπαιτούμενα μαθήματα. Για την καλύτερη εμπέδωση της ύλης πάντως, επιθυμητό είναι ο φοιτητής να έχει καλή γνώση της θερμοδυναμικής σε προπτυχιακό επίπεδο (ένα ή δύο εξάμηνα).

  1. Bασικές αρχές και ορισμοί: Ενέργεια, θερμότητα, έργο, κλειστό-ανοιχτό σύστημα, αδιαβατικά τοιχώματα, οιονεί στατική διεργασία, θεμελιώδη αξιώματα.
  2. 1ος θερμοδυναμικός νόμος για κλειστό σύστημα, 1ος θερμοδυναμικός νόμος για ανοιχτό σύστημα, εφαρμογές σε διεργασίες εκτόνωσης ή συμπίεσης αερίων
  3. Εντροπία και αντιστρεπτότητα: Αντιστρεπτές διεργασίες, θερμικές μηχανές, θεώρημα Clausius, κύκλος Carnot, άλλοι κύκλοι,        αντιστρεπτή-αδιαβατική διεργασία. 2ος θερμοδυναμκός νόμος, ισοζύγιο εντροπίας, θερμοδυναμική ανάλυση διεργασιών, πάρα πολλές εφαρμογές σε διεργασίες ανταλλαγής θερμότητας-έργου
  4. Μαθηματική θεμελίωση θερμοδυναμικής: Θεμελιώδη αξιώματα, θεμελιώδη συνάρτηση, θεμελιώδεις εξισώσεις, θεμελιώδεις αναπαραστάσεις, μετασχηματισμοί Legendre, καταστατικές εξισώσεις, εξισώσεις Maxwell, μορφή Euler, περιορισμός Gibbs-Duhem, διάγραμμα Born, μέθοδοι υπολογισμού θερμοδυναμικών παραγώγων, εφαρμογές
  5. Θερμοδυναμική ισορροπία: Ισορροπία φάσεων, χημικό δυναμικό, πτητικότητα, υπολογισμοί πτητικότητας, κριτήρια ισορροπίας, κριτήρια ευστάθειας, εφαρμογές στην ισορροπία φάσεων καθαρών ενώσεων, μεταβάσεις  1ης και 2ης τάξης, εξίσωση Clausius-Clapeyron, εφαρμογές
  6. Καταστατικές εξισώσεις καθαρών ουσιών: θερμοδυναμικές ιδιότητες καθαρών ουσιών, συστήματα πολλών συστατικών ή πολλαπλών φάσεων, ισορροπία φάσεων, εφαρμογές
  7. Θεωρίες διαλυμάτων: ιδιότητες ανάμιξης, ιδιότητες περίσσειας, συντελεστές πτητικότητας και ενεργότητας, εξίσωση Gibbs-Duhem.
  8. Υπολογισμοί ισορροπίας φάσεων: αέρια φάση σε χαμηλή πίεση, αέρια φάση σε υψηλή πίεση, συμπυκνωμένη φάση (υγρή, στερεά), διαγράμματα φάσεων. Μίγματα αερίων, διαλύματα υγρών, διαλυτότητες αερίων σε υγρά, διαλύματα υγρών – στερεών, διαλυτότητα στερεών σε υγρά, διαλύματα στερεών-στερεών, διαχωρισμοί ρευμάτων
  9. Χημικές αντιδράσεις: Θερμοδυναμική ισορροπίας σε σύστημα που λαμβάνει χώρα χημική αντίδραση, παραγωγή έργου από χημική αντίδραση, εφαρμογές σε διεργασίες παραγωγής ενέργειας (πχ, καύση, έκρηξη), εφαρμογές σε κελία καυσίμου, συνδυασμός 1ου και 2ου θερμοδ. νόμου και χημικής αντίδρασης

 

  1. S. Sandler, Chemical and engineering thermodynamics, 3rd ed., John Wiley & Sons Inc., New York (1999).
  2. 2. J.W. Tester and M. Modell, Thermodynamics and its applications, 3rd ed., Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey (1997).

Διδασκαλία στον πίνακα, με πολλαπλές επαναλήψεις της ύλης, και επίλυση πάρα πολλών προβλημάτων

Εβδομαδιαίες σειρές ασκήσεων, ενδιάμεσο διαγώνισμα αυτό-αξιολόγησης, τελική εξέταση