Курс "Физическая химия. Термодинамика"

В курсе рассматриваются основные понятия, методы и законы термодинамики, их применение к рассмотрению равновесий химических реакций, фазовых равновесий и электрохимическим явлениям.

О курсе

Химическая термодинамика объединяет законы природы, управляющие химическими превращениями в единую систему, построенную на основе законов физики и химии и, используя математический подход, подобно сети охватывает все ранее установленные частные закономерности для химических реакций. В курсе рассматриваются основные понятия, методы и законы термодинамики, их применение к рассмотрению равновесий химических реакций, фазовых равновесий и электрохимическим явлениям. Подробно изучается использование термодинамических функций внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса и энергия Гельмгольца для определения направления химических реакций, методы расчета количеств реагирующих веществ, получаемых в химических реакциях при достижении состояния равновесия, влияние температуры и давления на возможности управления химическими реакциями. Излагается термодинамическая теория растворов, с подробным изложением теории активности и ее применения к расчетам равновесий в растворах, а также фазовые равновесия в металлических системах, диаграммы состояния и методы их построения экспериментальные и основанные на расчетах по термодинамическим данным. В завершении курса изучается термодинамическая теория гальванических элементов и основы теории растворов электролитов.

Формат

Еженедельные занятия включают в себя просмотр тематических видеолекций и выполнение индивидуальных тестовых и расчетных заданий.

Требования

Курс лекций подходит для широкого круга слушателей с базовой подготовкой по математике в пределах курсов «Интегральное и дифференциальное исчисление», включая разделы о функциях многих переменных и решениях простых дифференциальных уравнений. Для эффективного усвоения курса обязательно знакомство с курсами «Химия» и «Физика».

Программа курса

1. Введение. Первый закон термодинамики.

Основные понятия и определения.
Математическая формулировка первого закона термодинамики.
Внутренняя энергия и энтальпия.
Применение первого закона термодинамики к простейшим процессам.
Зависимости внутренней энергии и энтальпии от параметров состояния.

2. Применение первого закона термодинамики к химическим процессам. Второй закон термодинамики.

Термохимия.
Закон Гесса.
Зависимость теплоты химической реакции от температуры.
Обратимые процессы.
Математическая формулировка второго закона термодинамики.

3. Энтропия.

Определение направления процессов в изолированной системе.
Вычисление энтропии при различных процессах.
Статистическая интерпретация понятия энтропии.

4. Функции состояния энергия Гиббса и энергия Гельмгольца.

Критерии определения направления процессов в неизолированных системах.
Зависимость энергии Гиббса и энергии Гельмгольца от параметров состояния.

5. Расчеты химических равновесий.

Изотерма Вант­Гоффа.
Константа равновесия химической реакции.
Расчет выхода химической реакции.
Зависимость константы равновесия химической реакции от температуры.
Изохора Вант­Гоффа.

6. Третий закон термодинамики.

Тепловая теорема Нернста.
Вычисление абсолютных значений энтропии.
Применение третьего закона термодинамики для расчетов равновесий.

7. Теория растворов.

Парциальные мольные величины.
Бесконечно разбавленные растворы.
Законы Генри и Рауля. Выбор стандартного состояния.
Равновесия химических реакций в бесконечно разбавленных растворах.
Идеальные растворы.

8. Реальные растворы.

Активность.
Применения активности для расчетов равновесий в растворах.
Методы определения активности.

9. Фазовые равновесия.

Правило фаз.
Диаграммы фазовых равновесий двухкомпонентных систем.
Экспериментальные методы построения диаграмм состояния.
Принципы термодинамического расчета диаграмм состояния.

10. Применение термодинамики к электрохимическим процессам.

Термодинамика гальванического элемента.
Активность компонентов в растворах электролитов, методы ее определения.
Электродные потенциалы.
Определение термодинамических величин электрохимическими методами.

Результаты обучения

После прохождения курса студент:

  • умеет применять методы термодинамики при анализе химических превращений веществ;
  • может вычислять термодинамические функции для различных процессов;
  • выполняет расчеты химических равновесий;
  • владеет методами определения термодинамических свойств растворов;
  • умеет строить и читать диаграммы фазовых равновесий;
  • может выполнять термодинамические расчеты электрохимическими методами.

Формируемые компетенции

  • Владеть методологией применения методов химической термодинамики к рассмотрению и анализу физико-химических процессов;
  • Применять знания законов термодинамики и следствий из них вытекающих к анализу химических и фазовых равновесий, определять направления химических процессов в зависимости от условий их проведения, рассчитывать выход химических реакций;
  • Владеть методами описания термодинамических свойств идеальных и реальных растворов, применять их для расчетов химических равновесий в растворах, владеть методами анализа фазовых равновесий;
  • Владеть электрохимическими методами изучения химических равновесий, уметь применять их для анализа работы химических источников тока 

Направления подготовки

07.00.00 Архитектура

08.00.00 Техника и технологии строительства

09.00.00 Информатика и вычислительная техника

10.00.00 Информационная безопасность

11.00.00 Электроника, радиотехника и системы связи

12.00.00 Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии

13.00.00 Электро- и теплоэнергетика

14.00.00 Ядерная энергетика и технологии

15.00.00 Машиностроение

16.00.00 Физико-технические науки и технологии

17.00.00 Оружие и системы вооружения

18.00.00 Химические технологии

19.00.00 Промышленная экология и биотехнологии

20.00.00 Техносферная безопасность и природообустройство

21.00.00 Прикладная геология, горное дело, нефтегазовое дело и геодезия

22.00.00 Технологии материалов

23.00.00 Техника и технологии наземного транспорта

24.00.00 Авиационная и ракетно-космическая техника

25.00.00 Аэронавигация и эксплуатация авиационной и ракетно-космической техники

26.00.00 Техника и технологии кораблестроения и водного транспорта

27.00.00 Управление в технических системах

28.00.00 Нанотехнологии и наноматериалы

29.00.00 Технологии легкой промышленности