CILJ KOLEGIJA
U okviru ovog kolegija studenti ovladavaju primjenom osnovnih termodinamičkih zakona i matematičkih metoda pri rješavanju kemijsko inženjerskih zadataka: procjene termodinamičkih svojstava čistih tvari, smjesa i otopina, proračuna fazne ravnoteže, proračuna kemijske ravnoteže. Također, studenti upoznaju osnove termodinamike neravnotežnih i nepovrativih procesa.
IZVEDBENI PROGRAM KOLEGIJA
1. Uvod u termodinamiku realnih sustava - što je termodinamika i čime se bavi, podjela termodinamike, program kolegija, potrebna predznanja, osnovni pojmovi: termodinamički sustavi, veličine, parametri faze, stanja, procesi, zakoni termodinamike,
Volumetrijska svojstva realnih fluida - pT-dijagram, Gibbsovo pravilo faza, opća plinska jednadžba, odstupanja od idealnosti, koeficijent kompresibilnosti, Joule-Thomsonov koeficijent, ukapljivanje realnog plina
Volumetrijska svojstva realnih fluida - međudjelovanja čestica plina, Lennard-Jonesov potencijal, virijalna jednadžba, Boyleova temperatura, BWR jednadžba
Seminar - upoznavanje s programom računskih seminara, laboratorijskih vježbi i izrade seminarskih zadataka na računalima (Rogošić, Zagajski-Kučan)
Seminar - zadaci: volumetrijska svojstva realnih fluida (Zagajski-Kučan)
2. Volumetrijska svojstva realnih fluida - van der Waalsova jednadžba, parametri, rad ukapljivanja, ravnotežni tlak, načela korespondentnih stanja i termodinamičke sličnosti, kritični koeficijent kompresibilnosti, Pitzerov koeficijent acentričnosti, Lee-Keslerova korelacija
Volumetrijska svojstva realnih fluida - jednadžbe stanja trećeg stupnja, Redlich-Kwong, Soave-Redlich-Kwong, Peng-Robinson, izračunavanje pvT-svojstava, usporedba jednadžbi, plinske smjese
Termodinamička svojstva realnih fluida - toplinske tablice i dijagrami, konstrukcija ph i sT-dijagrama, funkcije odstupanja, načela korespondendnih stanja i termodinamičke sličnosti, Yen-Alexanderova i Lee-Keslerova korelacija za entalpiju i entropiju
Seminar - zadaci: volumetrijska svojstva realnih fluida (Zagajski-Kučan)
Seminar - zadaci: volumetrijska svojstva realnih fluida, priprema 1. računalne vježbe (Rogošić, Zagajski-Kučan)
3. Termodinamička svojstva realnih fluida - fugacitivnost i koeficijent fugacitivnosti, fugacitivnost kao funkcija odstupanja, izračunavanje Gibbsove energije iz fugacitivnosti, ovisnost fugacitivnosti o tlaku i temperaturi, fugacitivnost i načela korespondentnih stanja i termodinamičke sličnosti
Termodinamika realnih otopina - definicija idealne otopine, volumen, entalpija i entropija miješanja, uzroci neidealnosti realnih otopina
Termodinamika realnih otopina - parcijalne molarne veličine u dvo- i višekomponentnim realnim sustavima, Gibbs-Duhemova jednadžba, parcijalna fugacitivnost i parcijalni koeficijent fugacitivnosti, veličine miješanja, eksces veličine
Seminar - zadaci: termodinamička svojstva realnih fluida (Zagajski-Kučan)
Vježbe na računalima - jednadžbe stanja realnih plinova (Rogošić, Zagajski-Kučan)
4. Termodinamika realnih otopina - aktivnost i koeficijent aktivnosti, standardna stanja čistog plina, kapljevine i krutine te komponenti plinskih i kapljevitih smjesa, Poyntingov faktor, Lewis-Randallovo pravilo, beskonačno razrijeđena otopina, Henryjev zakon za realne otopine
Termodinamika realnih otopina - određivanje parcijalnih molarnih veličina metodama presjeka, tangente, prividnih molarnih veličina, te primjenom Gibbs-Duhemove jednadžbe, veza Gibbsove energije, aktivnosti i koeficijenta aktivnosti
Modeli koeficijenta aktivnosti - modeli koeficijenta aktivnosti: Margules, red potencija, Van Laar, Wohl, regularne i atermalne otopine, Scatchard-Hildebrand; Flory-Hugginsov parametar međudjelovanja, parametar topljivosti, određivanje parametara modela
Seminar - zadaci: termodinamička svojstva realnih fluida (Zagajski-Kučan)
Vježbe na računalima - jednadžbe stanja realnih plinova (Rogošić, Zagajski-Kučan)
5. Modeli koeficijenta aktivnosti - modeli koeficijenta aktivnosti: Wilson, Tsuboka-Katayama, Hiranuma, NRTL, UNIQUAC; modeli strukturno-grupnih doprinosa: ASOG, UNIFAC
Rekapitulacija - termodinamika realnih otopina i modeli koeficijenta aktivnosti, priprema za provjeru znanja
Seminar - zadaci: termodinamika realnih otopina (Zagajski-Kučan)
Vježbe na računalima - jednadžbe stanja realnih plinova (Rogošić, Zagajski-Kučan)
6. 1. provjera znanja - volumetrijska svojstva realnih fluida, termodinamička svojstva realnih fluida, termodinamika realnih otopina, modeli koeficijenta aktivnosti
Termodinamička ravnoteža - uvjeti ravnoteže u izoliranim i zatvorenim sustavima, uvjeti stabilnosti sustava, reakcijski sustavi, termodinamička interpretacija Le Chatelierovog načela
Ravnoteža para-kapljevina - uvjet ravnoteže preko kemijskih potencijala i parcijalnih fugacitivnosti, opis neidealnosti faza pomoću jednadžbi stanja i modela koeficijenta aktivnosti, uvjet ravnoteže za idealnu paru, odnosno kapljevinu
Laboratorij - parcijalni molarni volumeni (Zagajski-Kučan)
Laboratorij - parcijalni molarni volumeni (Zagajski-Kučan)
7. Ravnoteža para-kapljevina - fazni dijagrami, Txy-dijagram, pxy-dijagram, xy-dijagram, sustavi pravilna ponašanja, azeotropni sustavi, test konzistentnosti
Ravnoteža para-kapljevina - proračuni fazne ravnoteže u kemijskom inženjerstvu: vrelište, kapljište, jednokratno isparavanje, numeričke metode u proračunima ravnoteže para-kapljevina
Ravnoteža para-kapljevina - područje visokih tlakova: retrogradna kondenzacija, proračun ravnoteže; topljivost plinova u kapljevinama, postupak Prausnitza i Shaira
Laboratorij - Ravnoteža para-kapljevina (Zagajski-Kučan)
Laboratorij - Ravnoteža para-kapljevina (Zagajski-Kučan)
8. Ravnoteža kapljevina-kapljevina - uvjet ravnoteže preko kemijskih potencijala, fazni dijagrami, ovisnost tlaka para o sastavu, ovisnost Gibbsove energije miješanja o sastavu, utjecaj temperature i tlaka na mješljivost, određivanje parametara modela iz eksperimentalnih podataka, trokutni dijagrami, pravilo poluge, izračunavanje ravnotežnih sastava faza u dvo- i trokomponentnim sustavima
Ravnoteža kapljevina-kapljevina - razdvajanje azeotropa promjenom tlaka ili dodatkom treće komponente, ravnoteža kapljevina-kapljevina-para, fazni dijagrami, proračun fazne ravnoteže
Ravnoteža kapljevina-krutina - uvjet ravnoteže preko kemijskih potencijala i parcijalnih fugacitivnosti, fazni dijagrami, eutektici, međumolekulni spojevi, peritektici, izračunavanje topljivosti krutina u kapljevini, Schroederove jednadžbe, ternarni eutektici, eutektički kanali
Laboratorij - Ravnoteža kapljevina-kapljevina (Zagajski-Kučan)
Laboratorij - Ravnoteža kapljevina-kapljevina (Zagajski-Kučan)
9. Ravnoteža plin-krutina - uvjet ravnoteže preko kemijskih potencijala i parcijalnih fugacitivnosti, superkritični fluidi kao otapala, izračunavanje topljivosti krutine u fluidu
Rekapitulacija - termodinamička ravnoteža, ravnoteža para-kapljevina, ravnoteža kapljevina-kapljevina, ravnoteža kapljevina-krutina, ravnoteža plin-krutina
Seminar - zadaci: termodinamika realnih otopina (Zagajski-Kučan)
Seminar - obrada rezultata laboratorijskih vježbi (Zagajski-Kučan)
10. 2. provjera znanja - termodinamička ravnoteža, Ravnoteža para-kapljevina, Ravnoteža kapljevina-kapljevina, ravnoteža kapljevina-krutina
Kemijska ravnoteža - uvjet kemijske ravnoteže: minimum Gibbsove energije, stehiometrijska suma kemijskih potencijala, homogene kemijske reakcije, standardna reakcijska Gibbsova energija, ovisnost standardne Gibbsove reakcijske energije o temperaturi
Kemijska ravnoteža - primjeri rješavanja problema homogene kemijske ravnoteže, homogena kemijska ravnoteža kod višereakcijskih sustava, određivanje minimalnog broja reakcija, Denbighova metoda, metoda matrične eliminacije
Seminar - zadaci: Ravnoteža para-kapljevina (Zagajski-Kučan)
Seminar - priprema 2. računalne vježbe (Rogošić, Zagajski-Kučan)
11. Kemijska ravnoteža - određivanje globalnog minimuma Gibbsove energije sustava, heterogena kemijska ravnoteža
Termodinamika nepovrativih procesa - eksterna i interna promjena entropije, primjeri nepovrativih procesa, prijenos topline i tvari, termodinamički potencijali i tokovi, prirast entropije, primjeri: difuzija topline i tvari
Termodinamika nepovrativih procesa - primjeri: istodobna difuzija topline i tvari, ireverzibilna ekspanzija idealnog plina, kemijska reakcija, afinitet
Seminar - zadaci: Ravnoteža kapljevina-kapljevina (Zagajski-Kučan)
Vježbe na računalima - Ravnoteža para-kapljevina (Rogošić Zagajski-Kučan, )
12. Termodinamika nepovrativih procesa - fenomenološke jednadžbe, međuovisnost tokova i potencijala, Onsagerovi fenomenološki koeficijenti, primjeri: vođenje elektične struje u elektrolitima i metalnim vodičima, Ohmov zakon, difuzija tvari, 1. Fickov zakon, istodobna difuzija više tvari
Termodinamika nepovrativih procesa - primjeri: difuzija topline, Fourierov zakon, termoelektrični efekti, ukršteni fenomenološki koeficijenti, kemijske reakcije, jednostavne i složene
Termodinamika nepovrativih procesa - stacionarna i nestacionarna stanja, primjeri, difuzija topline, Prigoginovo načelo i njegove posljedice: gradijent kemijskog potencijala, slijedne kemijske reakcije, stabilnost stacionarnog stanja, Ljapunovljevi zakoni
Seminar - zadaci: Ravnoteža kapljevina-kapljevina (Zagajski-Kučan)
Vježbe na računalima - Ravnoteža para-kapljevina (Rogošić Zagajski-Kučan, )
13. 3. provjera znanja - kemijska ravnoteža, neravnotežna termodinamika
Rekapitulacija - rasprava o gradivu, predavanjima, seminarima, laboratorijskim vježbama i računalnim seminarima, pitanja i odgovori, priprema pismenog i usmenog ispita
Seminar - zadaci: Ravnoteža kapljevina-krutina (Zagajski-Kučan)
Vježbe na računalima - Ravnoteža para-kapljevina (Rogošić, Zagajski-Kučan)
RAZVIJANJE OPĆIH I SPECIFIČNIH KOMPETENCIJA STUDENATA
Opće kompetencije:
primjena osnovnih zakona termodinamike i literaturnih ili vlastitih eksperimentalnih podataka pri rješavanju kemijskoinženjerskih problema: 1.procjene termodinamičkih svojstava plinova i kapljevina u ovisnosti o tlaku, temperaturi i sastavu, 2. karakterizacije ravnoteže para-kapljevina i kapljevina-kapljevina, 3. karakterizacije kemijske ravnoteže
razumijevanje osnovnih načela termodinamike nepovrativih procesa
Posebne kompetencije:
izračunavanje termodinamičkih svojstava realnih fluida pomoću jednadžbi stanja: virijalna, vdW, RK, SRK, PR, Lee-Kesler
izračunavanje termodinamičkih svojstava realnih otopina pomoću modela koeficijenta aktivnosti: Margules, Van Laar, Wilson, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC, ASOG
izračunavanje parametara modela koeficijenta aktivnosti iz eksperimentalnih podataka
izračunavanje temperatura, tlakova i ravnotežnih sastava za faznu ravnotežu para-kapljevina: proračun vrelišta, proračun kapljišta, proračun jednokratnog isparavanja
izračunavanje ravnotežnih sastava za faznu ravnotežu kapljevina-kapljevina
izračunavanje ravnotežnih sastava u reakcijskim smjesama u ovisnosti o tlaku i temperaturi: reakcija u plinskoj fazi, više reakcija u plinskoj fazi, reakcije u heterogenim sustavima
OBAVEZE STUDENATA U NASTAVI I NAČINI NJIHOVA IZVRŠAVANJA
studenti su obavezni nazočiti predavanjima i seminarima
studenti su obavezni izraditi 3 laboratorijske vježbe
studenti su obavezni izraditi 2 numeričke vježbe
studenti su obavezni pristupiti provjerama znanja i kolokvijima
NAČIN IZVOĐENJA NASTAVE
predavanja (ex cathedra)
seminari (ex cathedra)
laboratorijske vježbe (praktični rad u grupama uz nadzor asistenta i demonstratora)
numeričke vježbe (samostalna izrada seminarskih zadataka uz nadzor asistenta i demonstratora)
konzultacije prema potrebi
NAČIN PROVJERE ZNANJA I POLAGANJA ISPITA
ulazni kolokvij iz laboratorijskih vježbi
pismeni kolokvij iz laboratorijskih vježbi
pismeni kolokvij iz numeričkih vježbi
3 obvezne pismene provjere znanja tijekom semestra (60% bodova na svakoj od provjera znanja donosi oslobađanje od usmenog ispita)
pismeni ispit (3 numerička zadatka, potrebno 50% bodova za prolaz, uz uvjet jednog potpuno ispravno riješenog zadatka)
usmeni ispit
NAČIN PRAĆENJA KVALITETE I USPJEŠNOSTI KOLEGIJA
Studentska anketa
ISHODI UČENJA KOLEGIJA
1. Protumačiti način proširenja i korigiranja osnovnih fizikalno kemijskih zakona za primjenu u realnim plinovima i otopina
2. Odabrati literaturne podatke i teorijske modele za opis ovisnosti termodinamičkih veličina realnih plinova i otopina o temperaturi i tlaku
3. Postaviti sustav jednadžbi za opis fazne ravnoteže para-kapljevina, odnosno kapljevina-kapljevina, te kemijske ravnoteže
4. Predložiti način rješavanja sustava jednadžbi za opis fazne ravnoteže para-kapljevina, odnosno kapljevina-kapljevina
5. Identificirati termodinamičke potencijale i tokove u sustavu (opisati fenomene prijenosa energije i tvari termodinamičkim rječnikom)
ISHODI UČENJA NA RAZINI PROGRAMA KOJIMA PREDMET PRIDONOSI
1. Objasniti temeljna načela kemijskog inženjerstva u područjima modeliranja i simuliranja kemijskih reakcija, procesa prijenosa količine gibanja, tvari i energije te separacijskih procesa
2. Definirati kemijsko-inženjerske probleme, što uključuje njihovo raščlanjivanje i formuliranje radi rješavanja primjenom osnovnih načela
3. Izabrati prikladne metode analize, modeliranja, simulacije i optimiranja
4. Kritički se koristiti literaturom u tiskanom i internetskom obliku za prikupljanje potrebnih informacija za rješavanje kemijsko-inženjerskih problema
5. Primijeniti tehnike i metode uz svijest o njihovim ograničenjima
OBVEZNA LITERATURA
M.Rogošić, Nastavni tekstovi na mrežnim stranicama FKIT-a, 2013.
S.I.Sandler, Chemical, Biochemical and Engineering Thermodynamics, 4th Ed., Wiley, New York, 2006.
D.Kondepudi, I.Prigogine, Modern Thermodynamics, Wiley, New York, 1998.
DOPUNSKA LITERATURA:
J.M.Smith, H.C.Van Ness, M.M.Abbott, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 5th Ed., McGraw-Hill, New York, 1996.
J.M.Prausnitz, R.N.Lichtenthaler, E.G.de Azevedo, Molecular Thermodynamics of Fluid Phase Equilibria, 3rd Ed., Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1999.
B.E.Poling, J.M.Prausnitz, J.P.O'Connell, The Properties of Gases and Liquids, 5th Ed., McGraw-Hill, New York, 2000.
|
Pristupačnost
