TERMODINAMIKA I KINETIKA MATERIJALA
CILJ KOLEGIJA
Stjecanje znanja o osnovama termodinamike, posebice termodinamike čvrstog stanja. Usvajanje temeljnih termodinamičkih pojmova fazne ravnoteže i svojstava otopina. Stjecanje znanja potrebnih za razumijevanje, interpretaciju i konstrukciju ravnotežnih dijagrama stanja. Definiranje utjecaja parametara koji svoje ishodište imaju u termodinamičkim veličinama, na nastanak, razvoj mikrostrukture i ponašanje materijala. Usvajanje temeljnih pojmova kinetike čvrstog stanja i razumijevanje kinetičkih modela reakcija u čvrstom stanju u izotermnim i neizotermnim uvjetima.
IZVEDBENI PROGRAM KOLEGIJA
1. Kristalna rešetka, energija ionske kristalne rešetke. Unutarnja energija. Statistička termodinamika, mikrostanja i makrostanja. Multiplicitet. Entropija. Termička i konfiguracijska entropija. Entalpija. Realni kristali. Ravnotežna koncentracija defekata. Površine. Površinska energija.
S. Izračun ravnotežne koncentracije defekata.
2. Pojmovi sustava, faze i komponente. Ravnoteža u termodinamičkim sustavima, kriteriji ravnoteže. Gibbsova energija. Jednokomponentni heterogeni sustav, kemijski potencijal komponente. Ravnotežni dijagrami stanja jednokomponentnih sustava. Stupanj slobode. Gibbsovo pravilo faza. Fazne transformacije, polimorfija.
V. Određivanje toplinskog kapaciteta metodom diferencijalne pretražne kalorimetrije.
3. Višekomponentni heterogeni sustavi, uvjeti ravnoteže u višekomponentnom heterogenom sustavu. Ravnotežni dijagrami stanja dvokomponentnih sustava. Kondenzirani sustavi. Pravilo poluge. Ravnotežni dijagrami stanja dvokomponentnih sustava u kojima ne dolazi do stvaranja kemijskih spojeva niti čvrstih otopina. Eutektička reakcija. Mikrostruktura materijala nastalog kristalizacijom. Neravnotežni procesi.
S. Konstrukcija ravnotežnog dijagrama stanja jednostavnog dvokomponentnog sustava iz termodinamičkih podataka.
4. Ravnotežni dijagrami stanja dvokomponentnih sustava u kojima dolazi do stvaranja kemijskih spojeva. Sustav s kemijskim spojem koji se tali kongruentno, sustav s kemijskim spojem koji se tali inkongruentno, peritektička reakcija. Sustav s nemješljivošću u kapljevitoj fazi, monotektička reakcija.
V. Konstrukcija ravnotežnog dijagrama stanja jednostavnog dvokomponentnog sustava iz eksperimentalnih podataka (krivulje hlađenja).
5. Višekomponentni, homogeni sustav: otopine. Parcijalne molarne veličine. Idealne otopine. Regularne otopine. Ravnotežni dijagrami stanja dvokomponentnih sustava u kojima dolazi do stvaranja čvrstih otopina. Sustav sa stvaranjem čvrste otopine u svim omjerima.
V. Ovisnost mješljivosti o temperaturi
6. Sustavi čvrstih otopina s djelomičnim miješanjem. Sustavi sa stvaranjem čvrstih otopina u kojima dolazi do polimorfnih pretvorbi, eutektoidna i peritektoidna raekcija. Metode izračuna ravnotežnih dijagrama stanja. Eksperimentalne metode određivanja ravnotežnih dijagrama stanja.
S. Konstrukcija ravnotežnog dijagrama stanja hipotetičkog dvokomponentnog sustava.
7. Trokomponentni sustavi, primjena pravila poluge u trokomponentnom sustavu. Sustav s jednom eutektičkom točkom. Izopletalna studija u trokomponentnom sustavu. Sustav s binarnim spojem koji se tali kongruentno. Sustav s binarnim spojem koji se tali inkongruentno.
S. Interpretacija ravnotežnog dijagrama trokomponentnog sustava.
I. kolokvij
8. Difuzija u kristalnoj rešetci. Difuzijski procesi, heterogena difuzija. Mehanizmi difuzije, vakancijski i intersticijski mehanizam. Matematički opis procesa difuzije. Stacionarni i nestacionarni difuzijski tok. Koeficijent difuzije. Difuzija u ionskim kristalima. Difuzija u praškastim smjesama. Vrste difuzije: unutarnja difuzija, difuzija granicom zrna, površinska difuzija.
V. Određivanje difuzijskog koeficijenta.
9. Proces nukleacije. Termodinamički opis procesa nukleacije. Kritični radijus. Ovisnost brzine nukleacije o temperaturi. Homogena i heterogena nukleacija. Modeli nukleacije. Strategije promicanja nukleacije.
V. Određivanje krivulje nukleacije
10. Kinetika reakcija u čvrstom stanju. Posebnosti reakcija u čvrstom stanju. Prostorna dimenzija. Ovisnost brzine reakcije o temperaturi, aktivacijsko stanje. Definiranje dosega reakcije. alfa-t krivulja. Karakteristični stupnjevi napredovanja reakcije u čvrstom stanju.
S. Računalna analiza alfa-t krivulje, određivanje modela reakcije.
11. Otpori napretku procesa u čvrstom stanju. Modeli reakcija u čvrstom stanju Geometrijski modeli reakcija u čvrstom stanju. Kinetički modeli: modeli difuzije, reakcije na granici faza, nukleacije i rasta.
V. Kinetička analiza procesa nukleacije i rasta u izotermnim uvjetima.
12. Zakoni nukleacije, zakoni rasta. Potencijski zakon nukleacije i rasta. Avramijev model. Pravi i prošireni stupanj konverzije. Johnson-Mehl-Avramijev model. Ostali modeli za nukleaciju i rast. Izokonverzijske metode.
V. Kinetička analiza procesa nukleacije i rasta u neizotermnim uvjetima.
13. Kinetički modeli reakcija u čvrstom stanju u neizotermnim uvjetima. Temperaturni integral. Integralne i diferencijalne metode. Kissingerova metoda. Bezmodelne metode. Numeričke metode.
II. kolokvij
RAZVIJANJE OPĆIH I SPECIFIČNIH KOMPETENCIJA STUDENATA
Poznavanje osnovnih pojmova termodinamike čvrstog stanja, fazne ravnoteže i svojstava otopina. Razumijevanje, interpretaciju i konstrukcija ravnotežnih dijagrama stanja. Poznavanje parametara koji utječu na nastanak, razvoj mikrostrukture i ponašanje materijala. Poznavanje temeljnih pojmova kinetike čvrstog stanja i kinetičkih modela reakcija u čvrstom stanju.
OBAVEZE STUDENATA U NASTAVI I NAČINI NJIHOVA IZVRŠAVANJA:
Studentima se preporučuje prisustvovati predavanjima, a obvezni su pohađati vježbe i pristupiti kolokvijima.
UVJETI ZA DOBIVANJE POTPISA:
Uredno prisustvovanje predavanjima i vježbama.
NAČIN IZVOĐENJA NASTAVE:
Nastava se provodi usmenim izlaganjem uz PowerPoint prezentaciju. Vježbe su laboratorijskog tipa, obrada podataka sadrži računalnu komponentu. Seminari se sastoje od rješavanja problemskih i računskih zadataka.
NAČIN PROVJERE ZNANJA I POLAGANJA ISPITA:
Kolokvij, pismeni ispit samo ukoliko student znanjem ne zadovolji na kolokvijima. Pri ocjenjivanju će se, pored uspjeha na kolokvijima, odnosno ispitu, uzimati u obzir cjelokupan rad studenta.
NAČIN PRAĆENJA KVALITETE I USPJEŠNOSTI KOLEGIJA:
Studentska anketa
METODIČKI PREDUVJETI:
Fizikalna kemija, Struktura i svojstva anorganskih materijala.
ISHODI UČENJA KOLEGIJA:
1. Reproducirati temeljne termodinamičke principe i primijeniti ih pri razumijevanju, praćenju, predviđanju i usmjeravanju tijeka procesa do kojih dolazi tijekom proizvodnje i uporabe materijala.
2. Uočiti utjecaje termodinamičkih i kinetičkih parametara na tijek procesa proizvodnje materijala, nastalu mikrostrukturu te svojstva materijala
3. Povezati znanja iz matematike, kemije, kemijskog inženjerstva te strukture i svojstava materijala u cilju identifikacije, formuliranja i rješavanja problema iz područja proizvodnje i primjene materijala
4. Analizirati ponašanje materijala na makro razini imajući u vidu strukturu i mikrostrukturu materijala te fenomene na mikro razini
5. Razviti kritički način razmišljanja o tijeku procesa proizvodnje materijala te utjecajima na materijal pri korištenju.
6. Spoznati profesionalne standarde i unaprijediti radnu etiku te steći motivaciju za daljnje obrazovanje i intelektualni razvoj.
7. Unaprijediti sposobnost analitičkog razmišljanja i sinteze znanja, komunikacijske vještine, kritičnost i sposobnost zaključivanja.
8.Koristiti instrumentalne tehnike analize materijala te unaprijediti vještine rada na računalu, analize i sinteze podataka.
ISHODI UČENJA NA RAZINI PROGRAMA
1. objasniti znanstvene temelje važne za kemiju i inženjerstvo materijala, posebice iz podrucja kemije, fizike, matematike i kemijskog inženjerstva
2. prepoznati temeljne elemente kemije i inženjerstva materijala: strukturu, svojstva, proizvodnju i uporabu materijala
3. opisati razlicite vrste materijala (posebice mineralna veziva, keramiku, polimere te metale i slitine), njihovu uporabu i tehnologije njihove proizvodnje
4. povezati stecena znanja o materijalima, njihovoj uporabi i proizvodnji
5. definirati jednostavne probleme u podrucju kemije i inženjerstva materijala radi njihovog rješavanja
6. analizirati materijale korištenjem kemijskih i fizikalnih tehnika te laboratorijske opreme i uređaja
7. koristiti odgovarajuce racunalne baze podataka i programe za analizu i modeliranje
8. razviti radnu etiku, osobnu odgovornost i težnju za daljnjim usavršavanjem
NASTAVNE JEDINICE S PRIPADAJUĆIM ISHODIMA UČENJA I KRITERIJIMA VREDNOVANJA
NASTAVNA JEDINICA: Termodinamika materijala i fazne ravnoteže
ISHODI UČENJA:
- Reprodukcija termodinamičkih zakona, principa i koncepata te njihova primjena u kontekstu razumijevanja strukture i svojstava materijala.
- Primijeniti termodinamičke zakone i veličine u interpretaciji i predviđanju promjena u sustavu.
- Uočiti termodinamičke veličine ključne za interakciju materijala i okoliša i biti u stanju predvidjeti ponašanje materijala pri promjeni uvjeta.
- Poznavanje osnovnih pojmova termodinamike materijala i fazne ravnoteže i sposobnost interpretacije ravnotežnih dijagrama stanja jednokomponentnih sustava.
KRITERIJI VREDNOVANJA:
Definiranje:
- reverzibilnog i ireverzibilnog procesa,
- mikrostanja, makrostanja i multipliciteta,
- entropije kroz multiplicitet,
- površinske energije,
- sustava, komponente sustava, faze, heterogenog i homogenog sustava, ravnoteže i stupnja slobode,
- monotropije i enentiotropije.
Razlikovanje
- funkcije stanja i funkcije procesa,
- termičke i konfiguracijske entropije,
- invarijantnog, monovarijantnog i divarijantnog sustava,
- faznih transformacija prvog i drugog reda.
Izračunavanje
- ravnotežne koncentracije defekata u kristalnoj rešetci,
- energije kristalne rešetke ionskih kristala,
Objasniti: kako energija veze utječe na svojstva materijala.
Navesti Gibbsovo pravilo faza i značenje pojedinih varijabli.
Skicirati jednokomponentni ravnotežni dijagram stanja i objasniti Le Chatelierovo pravilo.
NASTAVNA JEDINICA: Ravnotežni dijagrami stanja dvokomponentnih kondenziranih sustava
ISHODI UČENJA:
- Razumijevanje, interpretaciju i konstrukcija ravnotežnih dijagrama stanja. Poznavanje parametara koji utječu na nastanak, razvoj mikrostrukture i ponašanje materijala.
- Objasniti karakteristike ravnotežnih dijagrama stanja dvokomponentnog sustava I interpretirati tijek procesa pri hlađenju ili zagrijavanju sustava.
-Razlikovati eutektičku, peritektičku i monotektičku reakciju te prepoznati i interpretirati ravnotežne dijagrame stanja sustava s kemijskim spojem koji se tali kongruentno i inkongruentno.
-Primijeniti ravnotežni diagram stanja za predviđanje i usmjeravanje tijeka procesa proizvodnje materijala te predvidjeti utjecaj tijeka procesa na mikrostrukturu materijala.
KRITERIJI VREDNOVANJA:
Opisati:
- tijek hlađenja taline određenog sastava,
- tijek zagrijavanja krutine određenog sastava,
- moguće tipove mikrostrukture u dvokomponentnom sustavu,
- peritektičku reakciju,
- monotektički sustav i tijek hlađenja taline u ovom sustavu.
Odrediti sastav eutektičkog sustava pri određenoj temperaturi.
Skicirati:
- mikrostrukturu eutektičkog sustava nakon skrutnjavanja za različite početne sastave taline,
- ravnotežni dijagram dvokomponentnog sustava u kojem dolazi do stvaranja kemijskog spoja koji se tali inkongruentno.
Definirati karakteristična područja peritektičkog sustava pri kojima će doći do stvaranja spoja uz preostanak primarno iskristalizirane faze i bez njega te opisati tijek procesa u prvom i drugom slučaju.
NASTAVNA JEDINICA: Ravnotežni dijagrami stanja čvrstih otopina
ISHODI UČENJA:
- Razlikovati koncepte idealne, regularne i realne otopine , razlikovati supstitucijske i intersticijske čvrste otopine te eutektoidnu i peritektoidnu reakciju.
-Povezati termodinamičke uvjete ravnoteže i termodinamička svojstva smjesa s ravnotežnim dijagramima stanja.
- Interpretirati ravnotežne dijagrame stanja čvrstih otopina s potpunim i djelomičnim miješanjem te jednostavne trokomponentne ravnotežne dijagrame stanja.
- Koristiti različite izvore podataka poput tablica, dijagrama i baza podataka pri analizi ili predviđanju tijeka procesa te koristiti instrumentalne metode za određivanje jednostavnih ravnotežnih dijagrama stanja.
KRITERIJI VREDNOVANJA:
Navesti:
- razlike između supstitucijske i intersticijske čvrste otopine,
- Hume-Rotheryeva pravila,
Objasniti razloge i posljedice frakcijske kristalizacije.
Opisati:
- tijek hlađenja u sustavima sa stvaranjem čvrste otopine sa nemiješanjem u čitavom području sastava,
- metode određivanja ravnotežnih dijagrama stanja,
- tijek hlađenja u eutektoidnom i peritektoidnom sustavu,
- mikrostrukturu kompleksnog dvokomponentnog sustava u ovisnosti o početnom sastavu, tijeku hlađenja i naknadne toplinske obrade.
Izračunati slobodnu energiju faza u sustavu te izračunati likvidus i solidus krivulju.
Odrediti ravnotežni dijagram stanja metodom krivulja hlađenja.
Rekapitulirati invarijantne reakcije.
NASTAVNA JEDINICA: Kinetika materijala
ISHODI UČENJA:
- Nabrojiti vrste i mehanizme difuzije u kristalnoj rešetci, matematički opisati proces difuzije i navesti čimbenike koji utječu na difuzijski koeficijent.
- Razlikovati homogenu i heterogenu nukleaciju, definirati kritični radijus nukleusa i objasniti ovisnost brzine nukleacije o temperaturi.
- Poznavanje temeljnih pojmova kinetike čvrstog stanja i kinetičkih modela reakcija u čvrstom stanju.
- Uočiti čimbenike koji definiraju brzinu ukupnog procesa reakcije u čvrstom stanju i odrediti kontrolirajuči kinetički čimbenik, navesti modele procesa ograničenih difuzijom, reakcijom na granici faza te nukleacije i rasta te uočiti prednosti I nedostatke pojedinih modela.
- Predvidjeti učinak kinetičkih parametara na tijek I ishod reakcija u čvrstom stanju
- Koristiti metode termičke analize materijala za određivanje termodinamičkih i kinetičkih parametara materijala i provesti kinetičku analizu procesa kristalizacije u izotermnim i neizotermnim uvjetima
KRITERIJI VREDNOVANJA:
Navesti:
- mehanizmi difuzije u kristalnoj rešetci,
- čimbenike o kojima ovisi difuzijski koeficijent,
- osnovnu pretpostavka kinetičkih istraživanja pod neizotermnim uvjetima.
Definirati:
- nukleaciju, pokretačku silu procesa nukleacije i otpore procesu nukleacije,
- promjenu slobodne energije pri nukleaciji i kritični radijus nukleusa,
- brzinu reakcije u heterogenim sustavima,
- prošireni i pravi stupanj konverzije i njihov odnos.
Opisati
- ovisnost brzine nukleacije o temperaturi i razloge ove ovisnosti,
- razlike homogene i heterogene nukleacije,
- geometrijske modele reakcija u čvrstom stanju,
- opću alfa-t krivulju,
- izokonverzijsku metodu,
Matematički opisati proces difuzije.
Nabrojiti:
- vrste reakcije u čvrstom stanju u smislu procesa koji kontrolira brzinu procesa,
- osnovne karakteristike reakcija u čvrstom stanju,
- zakone nukleacije.
Napisati kinetičke jednadžbe za proces nukleacije i rasta i objasniti fizikalno značenje pojedinih parametara.
Razlikovati neizotermne kinetičke metode po matematičkom izvodu a i načinu provedbe eksperimenta.
|
- , R. T. DeHoff, Thermodynamics in Materials Science, McGraw-Hill, New York, 1993.
J. Maier, Physical Chemistry of Ionic materials, John Wiley & Sons, Chichester, 2004.
D. W. Ragone, Thermodynamics of Materials, John Wiley & Sons, New York, 1995.
H. Schmalzried, Chemical Kinetics of Solids, VCH, Weinheim, 1995.
C. G. Bergeron, S. H. Risbud, Phase Equilibria in Ceramics, The American Ceramic Society, Columbus, 1984., , , .
- , Comprehensive Chemical Kinetics, Eds. C. H. Bamford i C. F. H. Tipper, Elsevier, Amsterdam, 1980.
J. H. Brophy, R. M. Rose, J. Wulff, Thermodynamics of Structure, J. Wiley & Sons, New York, 1974., , , .
|
Pristupačnost
