The lecture is the first part of the Physical Chemistry course, intended for students of various branches of Chemistry. It introduces the basics of of thermodynamics and presents examples of its use for studying systems at equilibrium. The lectures are complemented by a hands-on problem solving course in which we apply the theoretical knowledge. Passing of the problem-solving course is a prerequisite to taking the exam.
Last update: Košovan Peter, doc. RNDr., Ph.D. (02.10.2023)
Přednáška je první částí kurzu Fyzikální chemie, který je určen především pro studenty chemických oborů. Podává základy termodynamiky a příklady jejich využití pro studium systémů v rovnováze.
Souběžně s přednáškou probíhají cvičení, kde se prohlubuje pochopení přednášené látky a procvičují související příklady. Současné absolvování cvičení a udělení zápočtu z něj je podmínkou pro možnost složení zkoušky.
Last update: Košovan Peter, doc. RNDr., Ph.D. (02.10.2023)
Literature - Czech
P.W. Atkins: Physical Chemistry, Oxford University Press W.J. Moore: Fyzikální chemie, SNTL, Praha J. Dvořák, R. Brdička: Základy fysikální chemie, Academia, Praha
Poznámky k přednášce od prof. Gaše (pdf na google classroom)
Last update: Košovan Peter, doc. RNDr., Ph.D. (02.10.2023)
Requirements to the exam -
Problem-solving part (zápočet)
* 2 tests, each 90 min. 20 points for each * additional points can be obtained for bonus problems solved during the semester (not later) * total score of 20 points is required to pass this part * those who obtain a total of 40 or more points during the semester can skip the written part of the exam and proceed directly to the oral exam * those who do not obtain 20 points during the semester will be given an extra test with a maximum total of 40 points. In order to pass, they have to obtain at least 20 points from this test, disregarding the points obtained during the semester * those who fail also the extra test will be evaluated on an individual basis
Written and oral exam:
* it is required to pass the problem-solving part in order to enroll for the exam * the written part entails a 90min. test, similar to the tests previously written in the problem-solving part * scoring at least 50% in the written part is a prerequisit to do the oral part of the exam * the overall grade is decided based on both written and oral part of the exam * list of topics for the oral exam is updated at the end of the semester and provided in google classroom * if no further exam slots are scheduled in SIS, then new slots will be created when requested by students
Bonus problems:
* each bonus problem is assigned a certain number of points * unless specified otherwise, problems from the lecture script are worth 1 point each * the teacher can award a lower number of points for an incomplete solution, or return it to the student with a request to complete the task
Negative points for bonus problems can be awarded if:
* the submitted solution does not follow the instructions (e.g. the instructions request a derivation but the student submits only the initial formula and the final result) * the solution is copied from the internet or bears other signs of plagiarism * the solution is based on a false assumption which indicates general misunderstanding of the topic * it features other elementary errors (e.g. repeated use of wrong units or missing units)
Last update: Košovan Peter, doc. RNDr., Ph.D. (02.10.2023)
Zápočet:
* 2 písemky, každá na 90 min., za každou lze získat 20 bodů * další body lze získat za bonusové příklady vyřešené během semestru (nikoli později) * zápočet dostane ten, kdo získá celkem minimálně 20 bodů * kdo během semestru získá 40 a více bodů, nemusí psát zkouškovou písemku a jde rovnou na ústní zkoušku * kdo nezíská zápočet během semestru, má možnost opravné písemky za 40 bodů, ze které musí získat minimálně 20 bodů bez ohledu na body získané během semestru * kdo nesplní ani opravnou písemku, bude řešen individuálně
Zkouška:
* podmínkou účasti na zkoušce je splnění podmínek zápočtu * zkoušková písemka (90min.) * kdo získá alespoň 50% z písemky, jde k ústní zkoušce * výsledná známka se určí na základě ústní i písemné zkoušky * tématické okruhy k ústní zkoušce viz sdílený soubor na google classroom * pokud nejsou vypsané další termíny v SIS, vypíše vyučující na žádost studentů další termíny
Bonusové příklady:
* bodové hodnocení je uvedeno u každého bonusového příkladu * pokud není uvedeno jinak, příklady ze skript jsou za 1 bod * vyučující může za neúplné řešení udělit nižší počet bodů, případně vrátit řešení autorovi k doplnění
Za odevzdané řešení bonusového příkladu můžou být udelěné taky záporné body, pokud: * nerespektuje požadavky uvedené v zadání (např. pokud je úkolem něco odvodit, ale do řešení autor napíše pouze výchozí vztah a výsledek) * je opsané z internetu či nese jiné znaky plagiátu * je založeno na zcela mylné úvaze, která poukazuje na neznalost látky, které se týká * vykazuje jiné znaky poukazující na elementární neznalosti (např. opakované použití nesprávných jednotek, či neuvedení jednotek)
Last update: Košovan Peter, doc. RNDr., Ph.D. (02.10.2023)
Syllabus -
1. Basic terms
Matter and radiation, amount of substance - mol, Avogadro constant, extensive and intensive quantities, molar quantities, units of concentration. Mass and energy conservation laws, units of energy, energy of molecular movement - translation, rotation, vibration, thermal energy, equipartition principle of classical physics.
2. Properties of gases
States of substances, units of pressure and temperature, standard values of pressure and temperature, temperature scales, perfect gas equation. Kinetic theory of gases: distribution of speed, mean square speed, mean speed, most probable speed, mean energy, intermolecular collisions, collision frequency, collision density, mean free path, collision with surfaces. Real gases: compression factor, virial equation of state, van der Waals equation, critical constants of real gases.
3. First law of thermodynamics
Internal energy, expansion work, reversible and irreversible processes, functions of state, enthalpy, heat capacities, expansion work in reversible and irreversible processes, isothermal and adiabatic expansion and compression of ideal gas. Thermochemistry: enthalpy (heat) of fusion, boiling, sublimation, enthalpy (heat) of reaction, formation, combustion, dependence of reaction enthalpy on temperature, Hess law.
4. Second law of thermodynamics
Definition of entropy of system and environment, Clausius inequality, calculation of entropy, heat engines, heat pump, their efficiency definition of Helmholtz and Gibbs energy, spontaneity and equilibrium of processes, thermodynamic equation of state, Maxwell equations, dependence of Gibbs energy on temperature and pressure.Definition of chemical potential of pure substance, chemical potential of ideal gas, fugacity of real gases and its calculation.
5. Pure substances
Solid substances, liquids, gases, phase changes, Gibbs law of phases, phase equilibria, Clapeyron equation, Clausius-Clapeyron equation, water vapour in air, relative humidity.
6. Mixtures
Partial molar quantities, partial molar volume, chemical potential of mixture, Raoult law, Henry law, colligative properties of solutions: elevation of boiling point depression of freezing point, solubility, osmotic pressure, physiological values of osmolarity. Boiling of mixture of liquids: distillation, rectification, phase diagrams p-x, T-x, azeotropic mixtures, distillation with water steam. Definition of activity, activity of mixture of gases, activity of liquid solution, mixing Gibbs function.
7. Chemical equilibria
Reaction Gibbs energy, standard reaction Gibbs energy, equilibrium constant, dependence of equilibrium constant on temperature (van't Hoff equation), dependence of equilibrium composition on pressure, calculation of equilibrium composition of reaction mixture, homogeneous and heterogeneous chemical equilibria.
A more detailed syllabus together with equations is available at the Web page http://www.natur.cuni.cz/gas
Last update: Gaš Bohuslav, prof. RNDr., CSc. (06.06.2019)
1. Základní pojmy Hmota (látka) a záření, množství látky - mol, Avogadrova konstanta, extenzivní a intenzivní veličiny, molární veličiny, jednotky pro koncentraci. Zákon zachování hmoty a energie, jednotky energie, energie pohybu molekul - translace, rotace, vibrace, tepelná energie, ekvipartiční princip klasické fyziky.
2. Vlastnosti plynů Stav látky, jednotky tlaku a teploty, standardní hodnoty tlaku a teploty, absolutní teplota, teplotní stupnice, stavová rovnice ideálního plynu. Kinetický model ideálního plynu: rozložení rychlosti, střední kvadratická rychlost, střední rychlost, nejpravděpodobnější rychlost, střední energie, mezimolekulové srážky, srážková frekvence, hustota srážek, střední volná dráha, počet nárazů na stěnu. Reálné plyny: kompresibilitní faktor, viriální rozvoj kompresibilitního faktoru, van der Waalsova rovnice, kritické veličiny plynu.
3. První termodynamická věta Vnitřní energie, objemová práce, reverzibilní a ireverzibilní děje, stavové funkce, entalpie, tepelné kapacity při konst. objemu a tlaku, objemová práce při reverzibilním a ireverzibilním ději, izotermická a adiabatická expanze a komprese ideálního plynu. Termochemie: entalpie (teplo) tání, varu, sublimace, tuhnutí, kondenzace,entalpie (teplo) reakční, slučovací, spalné, závislost reakčního tepla na teplotě, Hessův zákon.
4. Druhá termodynamická věta Definice entropie systému a okolí, Clausiova nerovnost, výpočet entropie, tepelné stroje, tepelná čerpadla, jejich účinnost, definice Helmholtzovy a Gibbsovy energie, spontánnost a rovnováha dějů, termodynamická stavová rovnice, Maxwellovy rovnice, závislost Gibbsovy energie na teplotě a tlaku. Definice chemického potenciálu čisté látky, chemický potenciál ideálního plynu, fugacita reálného plynu a její výpočet.
5. Čisté látky Pevné látky, kapaliny, plyny, fázové změny, Gibbsův zákon fází, rovnováha mezi fázemi, Clapeyronova rovnice, Clausiova-Clapeyronova rovnice, obsah vodní páry ve vzduchu, relativní vlhkost.
6. Směsi Parciální molární veličiny, parciální molární objem, chemický potenciál složek směsi, Raoultův zákon, Henryho zákon, koligativní vlastnosti roztoků: zvýšení bodu varu, snížení bodu tuhnutí, rozpustnost tuhých látek, osmotický tlak, fyziologické hodnoty osmolarity. Var směsi kapalin: destilace, rektifikace, fázové diagramy p-x, T-x, azeotropické směsi, destilace vodní párou.Definice aktivity, aktivita plynné směsi a roztoku, směšovací Gibbsova funkce.
7. Chemické rovnováhy Reakční Gibsova energie, standardní reakční Gibbsova energie, rovnovážná konstanta, závislost rovnovážné konstanty na teplotě (van't Hoffova rovnice), závislost rovnovážného složení na tlaku, výpočet rovnovážného složení reakční směsi, homogenní a heterogenní chemické rovnováhy.
Last update: Košovan Peter, doc. RNDr., Ph.D. (02.10.2023)
