Στοιχεία Μαθήματος
Διδάσκων (Διδάσκοντες):
Μεταπτυχιακά Μαθήματα, Χειμερινό
Τύπος μαθήματος: Κορμού για μη Χημικούς Μηχανικούς
Γλώσσα Διδασκαλίας: Αγγλικά/Ελληνικά
Κωδικός Μαθήματος: GCHM_F801
Μονάδες ECTS: 12
Διαθέσιμότητα μαθήματος σε φοιτητές Erasmus: Όχι
Λεπτομέρειες Μαθήματος

To μάθημα απευθύνεται σε μη χημικούς μηχανικούς. Προσφέρεται σε (εντατικό) προπτυχιακό επίπεδο. Με την επιτυχή μελέτη του μαθήματος ο μεταπτυχιακός/ή φοιτητής/ήτρια αναμένεται να αποκτήσει επαρκές υπόβαθρο σε θεμελιώδεις περιοχές της Χημικής Μηχανικής. Συγκεκριμένα, αναμένεται:

  1. Nα κατανοεί τις βασικές αρχές της Θερμοδυναμικής, περιγράφοντας τις έννοιες και τους νόμους πάνω στους οποίους εδράζεται.
  2. Nα έχει εμπεδώσει την ανάπτυξη της Θερμοδυναμικής μέσω της βασικής θερμοδυναμικής εξίσωσης, των νόμων αυτής καθώς και μαθηματικών εργαλείων.
  3. Nα έχει εμπεδώσει βασικές εφαρμογές της Χημικής Θερμοδυναμικής. Συγκεκριμένα: να εξηγεί και να περιγράφει: (α) τη θερμοδυναμική χημικών αντιδράσεων μέσω εννοιών όπως η σταθερά ισορροπίας και οι θερμοδυναμικές συναρτήσεις της χημικής αντίδρασης, (β) τη θερμοδυναμική των μετασχηματισμών φάσης σε συστήματα ενός συστατικού και (γ) τη θερμοδυναμική διαλυμάτων.
  4. Να κατανοεί τις βασικές αρχές της Χημικής Κινητικής.
  5. Να εξοικειωθεί με την κατάστρωση ισοζυγίων μάζας και ενέργειας σε χημικούς αντιδραστήρες και να κατανοεί την ανάλυση και λειτουργία των βασικών τύπων πρότυπων ομογενών χημικών αντιδραστήρων.
  6. Να γνωρίζει τα βασικά βήματα του μηχανισμού μιας ετερογενούς καταλυτικής αντίδρασης και τον τρόπο ανάπτυξης της εξίσωσης ρυθμού για δεδομένο μηχανισμό αντίδρασης.
  7. Να κατανοεί τον ρόλο των περιορισμών μεταφοράς μάζας και θερμότητας στη διαμόρφωση του παρατηρούμενου ρυθμού μιας ετερογενούς καταλυτικής αντίδρασης.

 

Οι δεξιότητες που αναμένεται να αναπτύξει ο φοιτητής σχετίζονται με τα ανωτέρω επιδιωκόμενα αποτελέσματα και είναι οι ακόλουθες:

  1. Ικανότητα χρήσης των μαθηματικών εργαλείων για την ανάπτυξη της Θερμοδυναμικής, με εισαγωγή νέων συναρτήσεων και συσχετίσεων μέσω μερικών παραγώγων.
  2. Δεξιότητα σε (α) υπολογισμούς μεταβολών ιδιοτήτων, θερμότητας και έργου σε απλές διεργασίες,
    (β) υπολογισμούς που αφορούν αέρια μείγματα, (γ) υπολογισμούς συστάσεων ισορροπίας, θερμοδυναμικών ιδιοτήτων και συνθηκών θερμοδυναμικής ισορροπίας αντιδράσεων με χρήση δεδομένων από Θερμοδυναμικούς Πίνακες, (δ) υπολογισμούς μηχανικού σε διεργασίες μεταβολών φάσης, (ε) κατασκευές διαγραμμάτων μερικής πίεσης/σύστασης δυαδικών διαλυμάτων πτητικών υγρών και σχετικοί υπολογισμοί σε διαλύματα καθώς και σε συστήματα κρυοσκοπίας, ζεσεοσκοπίας και ωσμωτικής πίεσης
  3. Ικανότητα ανάλυσης κινητικών αποτελεσμάτων, για εύρεση εξισώσεων ρυθμού χημικών αντιδράσεων, καθώς και ανάλυσης συστημάτων αντιδράσεων.
  4. Ικανότητα επιλογής για μια χημική διεργασία του καταλληλότερου πρότυπου αντιδραστήρα ή συστοιχίας πρότυπων αντιδραστήρων, με στόχο την ικανοποίηση απλών κριτηρίων (όπως η μεγιστοποίηση της μετατροπής των αντιδρώντων  ή της απόδοσης ως προς το επιθυμητό προϊόν).
  5. Ικανότητα ποσοτικής αξιολόγησης της επίδρασης των εσωτερικών και εξωτερικών περιορισμών μεταφοράς μάζας και θερμότητας στη διαμόρφωση του παρατηρούμενου (μέσου) ρυθμού μιας ετερογενούς καταλυτικής αντίδρασης.

 

Δεν υπάρχουν προαπαιτούμενα μαθήματα.

Αρχές της Χημικής Θερμοδυναμικής: Ορισμοί. Θερμοδυναμικά συστήματα. Εντατικές – εκτατικές ιδιότητες. Μηδενικός νόμος και θερμοκρασία. Γενικευμένο έργο. Εσωτερική ενέργεια και πρώτος νόμος. Βασική θερμοδυναμική εξίσωση. Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος. Εντροπία Συστήματος – Περιβάλλοντος – Σύμπαντος. Αντιστρεπτές διεργασίες. Κριτήρια ισορροπίας. Θερμοδυναμικές συναρτήσεις. Μετρήσιμες θερμοδυναμικές ποσότητες. Θερμοδυναμικές καταστατικές εξισώσεις. Εξισώσεις Maxwell. Κυκλικές διεργασίες και μηχανική Carnot.
Τρίτος νόμος. Αρχή Nernst και Planck. Φαινόμενο Joule-Thomson.
Μοριακές και μερικές μοριακές ιδιότητες.
Θερμοδυναμική ιδανικών και πραγματικών αερίων. Πτητικότητα και Χημικό δυναμικό. Ο κανόνας Lewis-Randall.

Θερμοδυναμική Χημικών Αντιδράσεων: Ελεύθερη ενέργεια GIBBS και χημικές αντιδράσεις σε ισορροπία. Βαθμός προόδου μιας αντιδράσεως. Σταθερά χημικής ισορροπίας και εξάρτησή της από τη θερμοκρασία και πίεση.
Νόμος των φάσεων του Gibbs: Ισορροπία φάσεων ενός συστατικού.

Γενικές ιδιότητες των διαλυμάτων: Θερμοδυναμικές ιδιότητες μίξεως. Ισορροπία φάσεων σε δυαδικά διαλύματα και μίγματα. Πραγματικά διαλύματα και συντελεστές ενεργότητας. Χημική ισορροπία σε διαλύματα.

Χημική Κινητική: Ρυθμός αντίδρασης. Κινητικές εξισώσεις. Ανάλυση αποτελεσμάτων κινητικών μετρήσεων. Έκταση αντίδρασης και μετατροπή αντιδρώντος. Ανάλυση συστημάτων αντιδράσεων: Εκλεκτικότητα και Απόδοση.

Πρότυποι ομογενείς χημικοί αντιδραστήρες: Πρότυποι αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Πρότυποι αντιδραστήρες συνεχούς έργου (Αυλωτοί αντιδραστήρες, Αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση) και συστοιχίες τους. Γενικά χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων πρότυπων ομογενών χημικών αντιδραστήρων, ισοζύγια μάζας και ισοζύγιο ενέργειας, αδιαβατική ανύψωση της θερμοκρασίας, πολλαπλότητα μονίμων καταστάσεων. Σύγκριση πρότυπων αντιδραστήρων συνεχούς έργου, για μία αντίδραση και για συστήματα αντιδράσεων.

Ετερογενείς καταλυτικές διεργασίες: Εισαγωγή στην  Ετερογενή Κατάλυση. Μηχανισμοί ετερογενών καταλυτικών αντιδράσεων και ανάπτυξη μηχανιστικών κινητικών προτύπων. Εξωτερική και εσωτερική μεταφορά μάζας και θερμότητας σε ετερογενή καταλυτικά συστήματα. Διάχυση και αντίδραση στο εσωτερικό πορωδών καταλυτών.  Μέσος (ψευδοομογενής) ρυθμός ετερογενούς καταλυτικής αντίδρασης και παράγοντες αποτελεσματικότητας (εξωτερικός, εσωτερικός, ολικός). Κριτική ανάλυση κινητικών μετρήσεων σε ετερογενείς καταλυτικές αντιδράσεις –  Διαγνωστικά κριτήρια για την ύπαρξη περιορισμών μεταφοράς μάζας και θερμότητας.

  1. P. Atkins, J. de Paula, “ATKINS’ Physical Chemistry”, 8th Edition, Oxford University Press, 2006.
  2. K. Denbigh, “The Principles of Chemical Equilibrium”, Cambridge University Press, 1957.
  3. Σ. Μπογοσιάν, “Χημική Θερμοδυναμική”, Εκδόσεις ΕΑΠ, 2008.
  4. Κ. Βαγενάς, “Ανάλυση και σχεδιασμός χημικών αντιδραστήρων”, Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, 1988.
  5. Ξ. Ε. Βερύκιος, “Ετερογενείς Καταλυτικές Αντιδράσεις και Αντιδραστήρες”, Εκδόσεις Κωσταράκη, Αθήνα, 2004.
  6. J. M. Smith, “Μηχανική Χημικών Διεργασιών” (Μετάφραση, Τίτλος πρωτοτύπου: “Chemical Engineering Kinetics”, 3rd ed.), Εκδόσεις. Τζιόλα, Θεσ/νίκη, 1997.
  7. H. Scott Fogler, “Μηχανική Χημικών Αντιδράσεων και Σχεδιασμός Αντιδραστήρων” (Μετάφραση, Τίτλος πρωτοτύπου: “Elements of Chemical Reaction Engineering”, 4th ed.), Εκδόσεις Τζιόλα, Θες/νίκη, 2009.
  8. O. Levenspiel, "Μηχανική Χημικών Διεργασιών"
    (Μετάφραση, Τίτλος πρωτοτύπου: “Chemical Reaction Engineering”), Εκδόσεις Κωσταράκη, Αθήνα, 2004.
  9. L.D. Schmidt, “The Engineering of Chemical Reactions”, 2nd Ed., Oxford University Press, New York, 2005.

 

Παραδόσεις με χρήση slides (MS PowerPoint) σε συνδυασμό με συμβατική διδασκαλία από πίνακα, κυρίως για επίλυση προβλημάτων προς εμπέδωση της διδασκόμενης ύλης.
Σειρές ασκήσεων για  επίλυση στο σπίτι.
Στους φοιτητές/φοιτήτριες διανέμονται οι διαφάνειες (slides)  των παραδόσεων καθώς και πρόσθετο εκπαιδευτικό υλικό, όπως επιστημονικές δημοσιεύσεις. Επίσης, οι φοιτητές/φοιτήτριες καθοδηγούνται στην αναζήτηση βιβλιογραφίας καθώς και σχετικών πληροφοριών  στο Διαδίκτυο.

  1. Τελική γραπτή εξέταση
  2. Εξέταση προόδου (προαιρετική). Ο βαθμός της εξέτασης προόδου λαμβάνεται υπόψη μόνο αν είναι μεγαλύτερος από εκείνον της τελικής γραπτής εξέτασης.
  3. Σειρές ασκήσεων (προαιρετικές).

Ο βαθμός των  σειρών  ασκήσεων (σταθμισμένος) έχει προσθετική συνεισφορά στον συνολικό βαθμό
Παρουσία και ενεργή συμμετοχή στο μάθημα.