Mark Vis (TU/e)

In deze cursus maak je kennis met de fundamentele beginselen van de thermodynamica en fysische chemie, toegespitst op toepassingen binnen de scheikunde.

We starten met de ideale gaswet als eenvoudig model voor gasgedrag. Vervolgens onderzoeken we afwijkingen van dit model en hoe deze leiden tot condensatie van gassen tot vloeistoffen. De ideale gaswet blijft gedurende de cursus een belangrijk referentiepunt.

Aan de hand van de eerste hoofdwet van de thermodynamica, de wet van behoud van energie, leer je hoe warmte en arbeid als vormen van energieoverdracht samenhangen met interne energie en het begrip enthalpie.

Daarna behandelen we de tweede hoofdwet, die de richting aangeeft waarin (chemische) processen kunnen verlopen, via veranderingen in entropie. Dit leidt tot de introductie van de Gibbsenergie, een centrale grootheid waarmee je kunt voorspellen of een proces spontaan verloopt. Onder specifieke condities komt de maximale hoeveelheid arbeid die een systeem kan leveren overeen met de verandering in Gibbsenergie.

We passen deze inzichten toe op chemisch evenwicht, waarbij we de relatie tussen Gibbsenergie, de evenwichtsconstante, zuur-base-evenwichten en redoxreacties onderzoeken.

Tot slot bekijken we de invloed van druk op kook- en smeltpunten, essentieel voor toepassingen zoals (vacuüm)destillatie, en behandelen we kort de dampdruk van ideale mengsels.

Leerdoelen
Na het volgen van deze cursus is de student in staat om:

1. Eenvoudige toestandsvergelijkingen toe te passen op gassen en vloeistoffen.
2. Afwijkingen van ideale systemen te kwantificeren en te verklaren.
3. Het begrip kritiek punt en kritieke temperatuur uit te leggen.
4. De Van der Waals vergelijking toe te passen en te interpreteren als een model voor reële gassen.
5. De thermodynamische begrippen systeem en omgeving correct te gebruiken, evenals de typen systemen: geïsoleerd, gesloten en open.
6. De nulde hoofdwet van de thermodynamica toe te passen en de absolute entropie van stoffen te interpreteren volgens de derde hoofdwet.
7. De eerste hoofdwet toe te passen en de begrippen interne energie, warmte en arbeid te gebruiken.
8. Het concept van een reversibel proces toe te passen op o.a. adiabatische, isotherme, isobare en isochore processen.
9. Warmtecapaciteit bij constant volume en constante druk toe te passen, en het begrip enthalpie als toestandsfunctie te gebruiken.
10. (Standaard) reactie-enthalpie en reactie-entropie als functie van temperatuur te berekenen en met elkaar in verband te brengen.
11. Toestandsfuncties en exacte differentiëlen te gebruiken.
12. De tweede hoofdwet toe te passen, de richting van spontane processen te verklaren en het begrip entropie correct te hanteren.
13. Reversibele warmtemachines (zoals de Carnotcyclus) te analyseren.
14. Irreversibele warmtemachines te analyseren, en kwalitatief en kwantitatief te vergelijken met reversibele machines.
15. De derde hoofdwet van de thermodynamica te gebruiken.
16. De definities van Gibbsenergie toe te passen, de criteria voor reversibele en evenwichtsprocessen te hanteren, en (standaard) Gibbsenergieveranderingen te berekenen.
17. Maxwellrelaties te gebruiken om niet-meetbare grootheden te relateren aan meetbare hoeveelheden.
18. De relatie tussen Gibbsenergie en de evenwichtsconstante van een reactie toe te passen, en te voorspellen hoe de evenwichtsconstante verandert met temperatuur.
19. Zuur-base-evenwichten en redoxreacties thermodynamisch te analyseren met behulp van Gibbsenergie en entropieveranderingen.
20. De invloed van druk op kookpunten en smeltpunten te verklaren en toe te passen op praktische situaties zoals (vacuüm)destillatie.
21. De dampdruk van (ideale) mengsels kwalitatief en kwantitatief te beschrijven.

Peter Atkins | Julio de Paula “Physical Chemistry” 12th Edition, Chapters 1-3, and selected items (chemical equilibrium, electrochemical cell) from Chapter 6. Oxford University Press, 2014, ISBN 978-0-19-884781-6.

Schriftelijk tentamen.