Φυσικοχημεία (ΧΗΜ 201)

Περιεχόμενο μαθήματος :

Καταστάσεις της ύλης, βασικές ιδιότητες. Ιδανικά αέρια: Ιδιότητες, νόμοι. Κινητική θεωρία. Διάχυση αερίων, υπολογισμοί. Πραγματικά αέρια: συμπεριφορά, καταστατικές εξισώσεις, εξίσωση van der Waals. Σύγκριση συμπεριφοράς αερίων, αρχή αντιστοίχων καταστάσεων. Χημική κινητική: Σταθερά ταχύτητας, θεωρία Arrhenius. Εξισώσεις ρυθμού. Μέθοδοι κινητικής μελέτης αντιδράσεων σε αντιδραστήρες Batch, CSTR και PFR. Μηχανισμοί. Κινητικές εξισώσεις μέσω μηχανισμών. Κινητική ομογενών και ετερογενών καταλυτικών αντιδράσεων. Εφαρμογές στον σχεδιασμό αντιδραστήρων. Θερμοδυναμική: 1ος Νόμος, εφαρμογές. Χημική Θερμοδυναμική. 2ος Νόμος, εφαρμογές. Ενθαλπία, Εντροπία, ελεύθερη ενέργεια Gibbs και Helmholtz, χημικό δυναμικό. Χημική ισορροπία, υπολογισμοί. Ισορροπία Φάσεων. Ισορροπία ατμών–υγρού και Απόσταξη, Ισορροπία αερίου–υγρού και Απορρόφηση, Ισορροπία ρευστών–στερεών επιφανειών και Προσρόφηση.
Εργαστηριακές ασκήσεις: Στο εργαστήριο Φυσικοχημείας πραγματοποιούνται οι εξής εργαστηριακές ασκήσεις: Προσρόφηση, Απόσταξη, Κινητική Μελέτη Χημικής Αντίδρασης, Εκχύλιση, Μελέτη Ετερογενών Καταλυτικών Αντιδράσεων.
 

Μαθησιακά Αποτελέσματα :

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο φοιτητής/τρια θα είναι σε θέση να:

•  Ορίζει τα ιδανικά και τα πραγματικά αέρια και τις βασικές εξισώσεις που διέπουν τη συμπεριφορά τους
•  Αναπτύσει τους βασικούς νόμους πάνω στους οποίους εδράζεται η θερμοδυναμική και να μελετά εφαρμογές, όπως υπολογισμούς μεταβολών θερμοδυναμικών ιδιοτήτων σε απλές διεργασίες.
•  Σχεδιάζει (Συνθέτει) και να λειτουργεί έναν χημικό αντιδραστήρα αποκτώντας την απαραίτητη τεχνογνωσία.
•  Αναγνωρίζει τις βασικές μεθόδους διαχωρισμού διαφόρων μιγμάτων (αέριο-αέριο, αέριο-υγρό, αέριο-στερεό, υγρό-υγρό, υγρό-στερεό, στερεό-στερεό).
•  Σχεδιάζει (Αναλύει) απλές φυσικές διεργασίες (απόσταξης, απορρόφησης, κλπ) στο χαρτί και να εφαρμόζει τα σχετικά ισοζύγια μάζας και ενέργειας.

Γενικές Ικανότητες :

Γενικές ικανότητες που ενισχύει το μάθημα :

•  Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
•  Αυτόνομη εργασία
•  Σχεδιασμός και διαχείριση έργων
•  Χρήση Υπολογιστή
•  Επίλυση προβλημάτων
•  Διαχείριση αριθμητικών δεδομένων

Χρήση Τ.Π.Ε. στη Διδασκαλία, στην Εργαστηριακή Εκπαίδευση, στην Επικοινωνία με τους φοιτητές :

Οργάνωση διδασκαλίας :

Άλλα Σχόλια για την Οργάνωση της Διδασκαλίας :
Διάλεξη 1η: Κινητική Θεωρία των αερίων
Καταστάσεις της ύλης, βασικές ιδιότητες, Ιδανικά αέρια: Ιδιότητες, νόμοι, Θεμελιώδεις έννοιες της κινητικής θεωρίας των αερίων. Διάχυση αερίων, υπολογισμοί, Μηχανικοί βαθμοί ελευθερίας , Αρχή ισοκατανομής ενέργειας, Κατανομή μοριακών ταχυτήτων κατά Maxwell-Boltzmann, Συχνότητα συγκρούσεων, Πραγματικά αέρια: συμπεριφορά, καταστατικές εξισώσεις, Εξίσωση van der Waals, Σύγκριση συμπεριφοράς αερίων, αρχή αντιστοίχων καταστάσεων.

Διάλεξη 2η: Χημική κινητική
Κατάταξη χημικών αντιδράσεων, Σταθερά ταχύτητας, Νόμοι των Χημικών Αντιδράσεων, θεωρία Arrhenius, Κινητικές εξισώσεις μέσω μηχανισμών, Κινητική ομογενών και ετερογενών καταλυτικών αντιδράσεων

Διάλεξη 3η: Ιδανικοί χημικοί αντιδραστήρες
Τύποι αντιδραστήρων: Ασυνεχείς, Συνεχείς αντιδραστήρες με ανάμιξη, Συνεχείς αντιδραστήρες εμβολικής ροής, Σύγκριση αντιδραστήρων

Διάλεξη 4η : Σχεδιασμός χημικών αντιδραστήρων
Εξισώσεις ρυθμού, Μέθοδοι κινητικής μελέτης αντιδράσεων σε αντιδραστήρες Batch, CSTR και PFR. Μηχανισμοί.

Διάλεξη 5η : Εισαγωγή στη Θερμοδυναμική
Βασικές έννοιες Θερμοδυναμικής, Μηχανικό έργο, άλλες μορφές θερμοδυναμικού έργου, Θερμοδυναμικό σύστημα, Εσωτερική ενέργεια, Θερμότητα, Ο πρώτος νόμος της Θερμοδυναμικής σε κλειστά και ανοικτά συστήματα, αυθόρμητες και μη αυθόρμητες διεργασίες, Ενθαλπία, θερμοχωρητικότητα, Εφαρμογές πρώτου νόμου θερμοδυναμικής

Διάλεξη 6η : Εντροπία-Δεύτερος νόμος Θερμοδυναμικής
2ος Νόμος Θερμοδυναμικής, Εντροπία, Αντιστρεπτότητα διεργασίας, Εφαρμογές, Εντροπία τέλειου αερίου, Εντροπία και Ισορροπία, Μεταβολή εντροπίας συστήματος/περιβάλλοντος, Εφαρμογές δεύτερου νόμου θερμοδυναμικής -παραδείγματα

Διάλεξη 7η : Χημική θερμοδυναμική
Μερικές γραμμομοριακές ιδιότητες, ελεύθερη ενέργεια Gibbs και Helmholtz, χημικό δυναμικό, Χημική ισορροπία Πτητικότητα και συντελεστής πτητικότητας, Η ισότητα των πτητικοτήτων ως κριτήριο ισορροπίας φάσεων, Διαγράμματα φάσεων για δυαδικά συστήματα, Υπολογισμοί ισορροπίας δύο φάσεων

Διάλεξη 8η : Ισορροπία Φάσεων υγρού μίγματος-ατμών
Η ισορροπία ενός υγρού μίγματος με τους ατμούς του παίζει σημαντικό ρόλο στις διεργασίες διαχωρισμού, όπως η απόσταξη. Στην παρούσα ενότητα εξετάζεται η εν λόγω ισορροπία και παρουσιάζονται οι εξισώσεις που την περιγράφουν. Τέλος, παρουσιάζονται συνήθεις τρόποι απεικόνισης της ισορροπίας καθώς και κάποιες ασκήσεις για την περαιτέρω εξοικείωση των φοιτητών.

Διάλεξη 9η: Απόσταξη
Απλές αποστάξεις, Κλασματική απόσταξη, Μέθοδος Mc Cabe-Thiele, Ακραίες Περιπτώσεις λειτουργίας αποστακτικών στηλών: ολική αναρροή και ελάχιστος αριθμός Βαθμίδων, Ελάχιστος λόγος αναρροής και άπειρος αριθμός βαθμίδων, Πλάγια προϊόντα (side stream)- Πολλαπλές τροφοδοσίες, Παραδείγματα

Διάλεξη 10η:Κλασματική Απόσταξη
Κανόνας μοχλού σε διαγράμματα ενθαλπίας- συγκέντρωσης, Ισοζύγια μάζας και ενθαλπίας, Υπολογισμός θεωρητικών βαθμίδων με P-S, Ολική αναρροή και ελάχιστος αριθμός βαθμίδων με P-S , Ελάχιστος λόγος αναρροής και άπειρος αριθμός βαθμίδων με την μέθοδο Ponchon-Savarit, Παραδείγματα

Διάλεξη 11η: Ισορροπία αερίου– υγρού και Απορρόφηση αερίων
Ισορροπία αερίων –υγρού, ανάλυση διεργασίας απορρόφησης -βασικές αρχές και εξισώσεις που την περιγράφουν , Ισοζύγια μάζας-γραμμές λειτουργίας, Εύρεση ελάχιστου λόγου ροής Υγρού/Αερίου, μέθοδοι σχεδιασμού πύργων απορρόφησης, Παραδείγματα-Εφαρμογές

Διάλεξη 12η: Ισορροπία ρευστών–στερεών επιφανειών και Προσρόφηση.
Ισορροπία ρευστού με στερεή επιφάνεια (προσρόφηση), Ισόθερμη Langmuir, Ισόθερμη Freundlich, Ισόθερμη BET, Βασικές αρχές και εξισώσεις της διεργασίας της προσρόφησης

Διάλεξη 13η: Ξήρανση
Ξήρανση στερεών, βασικές αρχές ξήρανσης στερεών, Ισορροπία διαβρεγμένου στερεού- υγρού αέρος (ή αερίου), μηχανισμός της ξήρανσης, ξήρανση μη πορωδών και πορωδών στερεών, Υπολογισμός χρόνου ξήρανσης σε συνθήκες σταθερής ξήρανσης



Αξιολόγηση :

Αθροιστική/Συμπερασματική (για βαθμό φοιτητή) Αξιολόγηση:

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία :

Ιωάννης Γεντεκάκης, "ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ: ΑΝΑΛΥΣΗ & ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ’’, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΛΕΙΔΑΡΙΘΜΟΣ Ε.Π.Ε., ΑΘΗΝΑ, 2010
W. Atkins «Φυσικοχημεία, Τόμος I», Παν/κές Εκδόσεις Κρήτης 1998
Μηχανική Χημικών διεργασιών, Octave Levenspiel, (μετάφραση), Εκδόσεις Κωσταράκη, 2004
Νίκας, Π. Κ. (2011). Εφαρμοσμένη Θερμοδυναμική για Μηχανικούς, Leeder Enterprises.
Cengel & Boles. (2011). Θερμοδυναμική για Μηχανικούς (Μετάφραση), εκδόσεις Τζιόλας.
ΑΣΣΑΕΛ ΜΑΡΚΟΣ Ι., ΜΑΓΓΙΛΙΩΤΟΥ ΜΑΡΙΑ Χ., (2009) "ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ", ΕΚΔΟΣΕΙΣ Α.ΤΖΙΟΛΑ
Δ. ΜΑΡΙΝΟΣ-ΚΟΥΡΗΣ, Ε. ΠΑΡΛΙΑΡΟΥ-ΤΣΑΜΗ, 'AΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ', ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΑΠΑΣΩΤΗΡΙΟΥ, 1994