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Thermodynamics for materials engineering

01QVYLS

A.A. 2020/21

Course Language

Italian

Course degree

1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Material Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 60
Esercitazioni in aula 20
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Ferri Ada Professore Associato ING-IND/24 60 0 0 0 6
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/24 8 B - Caratterizzanti Ingegneria chimica
2020/21
L'insegnamento ha lo scopo di fornire agli studenti del secondo anno i concetti e le nozioni di base per lo studio delle variazioni energetiche che accompagnano le trasformazioni della materia. L'aspetto principale dell'insegnamento riguarda l'individuazione delle condizioni di equilibrio termodinamico fra le fasi di un sistema monocomponente e multicomponente. Una prima parte del corso riguarderà la trattazione generale della termodinamica, con l'introduzione al calcolo dell'energia libera di Gibbs e del potenziale chimico. Seguirà lo studio dei diagrammi di fase, con l'identificazione delle condizioni termodinamiche per la formazione di lacune di miscibilità.
The course will provide knowledge about relationships of the various thermodynamics properties of a system and the change in equilibrium properties during simple thermodynamic processes. Thermodynamic equilibrium of one-component and multi-component systems will be investigated by introducing Gibbs free energy and the chemical potential. Phase diagrams of unary and binary systems will be investigated, analysing also the thermodynamics conditions for the formation of miscibility gaps.
Al termine dell'insegnamento, lo studente dovrà essere in grado di calcolare la variazione dei potenziali termodinamici (energia interna entalpia, energia libera di Gibbs, entropia) per trasformazioni termodinamiche di sistemi semplici. Saprà valutare gli scambi energetici fra il sistema e l'ambiente in termini di calore e lavoro. Saprà calcolare gli equilibri termodinamici per sistemi monocomponente e bicomponente (utilizzando semplici modelli per i coefficienti di attività). Saprà utilizzare i diagrammi e le tabelle del vapore (diagramma Mollier) e saprà costruire i diagrammi di fase bicomponente sulla base dell'analisi del energia libera di miscelazione.
By completing the course, the student will be able to calculate the variation of the thermodynamics potentials (enthalpy, internal energy, Gibbs free energy, entropy) for thermodynamic transformations of simple systems. He/she will be able to calculate energy exchanges between the system and the environment in terms of heat and work. The student will be able to calculate thermodynamic equilibrium for single component and two-component systems (using simple models for activity coefficients). He/she will be able to use steam diagrams and tables (Mollier diagram) and will be able to build bi-component phase diagrams based on Gibbs free mixing of mixing.
Lo studente deve possedere una buona cultura scientifica generale, con particolare riferimento alle conoscenze di base della Chimica, della Fisica e dell'Analisi Matematica.
Students should have sound knowledge of basic chemistry, physics and mathematics.
Sistema e stato termodinamico. Equilibrio, processi e trasformazioni, temperatura, calore, lavoro. Primo principio della termodinamica. Energia interna, entalpia, calori specifici. Passaggi di stato e effetti termici. Gas perfetto e gas reali. (20 ore) Secondo principio della termodinamica ed entropia. Valutazione di energia interna , entalpia ed entropia per sistemi semplici. Energia libera di Helmholtz e Gibbs. Relazioni di Maxwell. Trasformazioni spontanee e condizioni di equilibrio. (20 ore) Terzo principio. Cenni di termodinamica statistica. Definizione di microstato e macrostato. (9 ore) Potenziale chimico. Regola delle fasi di Gibbs. Transizioni di fase. Equilibrio monocomponente fra più fasi: equazione di Clapeyron. Condizioni di equilibrio termodinamico per sistemi ideali. Sistemi reali, fugacità, attività. Energia libera delle sostanza pure. Sistemi eterogenei multicomponenti. Grandezze molari parziali e proprietà termodinamiche delle soluzioni. Diagrammi energia libera-composizione. Lacune di miscibilità e regione spinodale. Diagrammi di stato bi- e tricomponente. (35 ore)
System and thermodynamic state. Thermodynamic equilibrium, reversible and irreversible processes, heat and work. First Law of Thermodynamics, internal energy, enthalpy, heat capacity. Phase transitions and thermal effects. Ideal and real gases. (20 hours) Second Law of Thermodynamics. Entropy. Criteria for the direction of spontaneous processes. Helmholtz free energy, Gibbs free energy. Maxwell relations. (20 hours) Third Law of Thermodynamics. Introduction to Statistical Thermodynamics. Definition of micro- and macro-state. (9 hours) Chemical Potential. Phase diagram of unary systems. Gibbs phase rule. Phase transitions and Clapeyron equation. Equilibrium of unary and binary ideal systems. Real systems: introduction to fugacity and activity. Molar partial properties of solutions. Gibbs free energy of mixing diagrams. Miscibility gaps. (35 h.)
L'insegnamento è composto da lezioni teoriche (60 ore) ed esercitazioni pratiche di calcolo svolte in aula relative a semplici applicazioni di quanto trattato a lezione (20 ore).
The course is made of lectures (60 hours) and practical lectures with solutions of problems and exercises (20 hours).
Robert T. DeHoff, Thermodynamics in materials science, McGraw-Hill I.N. Levine, Physical Chemistry, McGraw-Hill
Robert T. DeHoff, Thermodynamics in materials science, McGraw-Hill I.N. Levine, Physical Chemistry, McGraw-Hill
Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti;
L'esame online si svolgerà con modalità analoghe all'esame in persona: sarà composto di una prova scritta con videosorveglianza del docente e una prova orale facoltativa (riservata agli studenti che hanno ottenuto un punteggio nella prova scritta superiore a 22). L'esame consiste di una prova scritta della durata di 2.5 ore senza l'uso di appunti o di libri. La prova scritta si compone di 3 esercizi numerici (2 ore) e 10 quesiti teorici a scelta multipla (0.5 ore). Il valore della prova scritta è limitato a 27/30. La prova orale è facoltativa (sostenibile con un punteggio minimo di 22 alla prova scritta). Durante la prova orale, lo studente sarà chiamato a rispondere a due o più quesiti relativi agli argomenti trattati durante il corso. Le modalità di esame saranno volte a verificare la capacità dello studente di applicare le relazioni tra le grandezze termodinamiche ai fini di individuare le proprietà della materia e le interazioni energetiche dei sistemi termodinamici semplici.
Exam: Optional oral exam; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff;
The online exam will be carried out according to the same modality as the exam in person: a written part with videosurveillance and an optional oral exam (for students that graded minimum 22 in the written part). The assessment is made of a written examination (2.5 hours) without consultation of books or notes. The exam is made of 3 exercises (2 hours) and a questionnaire made of 10 multi-choice questions. Maximum grade of the written exam is 27/30. Oral exam is optional (provided that the minimum grade of 22 was achieved in the written exam). During the oral examination, the student will have to reply to two or more questions related to the topics exposed during lessons. The examination will verify the capacity of the student to apply the relations between thermodynamic factors, so as to individuate the properties of matter and the energetic interactions of simple thermodynamic systems.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);
L'esame online si svolgerà con modalità analoghe all'esame in persona: sarà composto di una prova scritta con videosorveglianza del docente e una prova orale facoltativa (riservata agli studenti che hanno ottenuto un punteggio nella prova scritta superiore a 22). L'esame consiste di una prova scritta della durata di 2.5 ore senza l'uso di appunti o di libri. La prova scritta si compone di 3 esercizi numerici (2 ore) e 10 quesiti teorici a scelta multipla (0.5 ore). Il valore della prova scritta è limitato a 27/30. La prova orale è facoltativa (sostenibile con un punteggio minimo di 22 alla prova scritta). Durante la prova orale, lo studente sarà chiamato a rispondere a due o più quesiti relativi agli argomenti trattati durante il corso. Le modalità di esame saranno volte a verificare la capacità dello studente di applicare le relazioni tra le grandezze termodinamiche ai fini di individuare le proprietà della materia e le interazioni energetiche dei sistemi termodinamici semplici.
Exam: Written test; Optional oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);
The online exam will be carried out according to the same modality as the exam in person: a written part with videosurveillance and an optional oral exam (for students that graded minimum 22 in the written part). The assessment is made of a written examination (2.5 hours) without consultation of books or notes. The exam is made of 3 exercises (2 hours) and a questionnaire made of 10 multi-choice questions. Maximum grade of the written exam is 27/30. Oral exam is optional (provided that the minimum grade of 22 was achieved in the written exam). During the oral examination, the student will have to reply to two or more questions related to the topics exposed during lessons. The examination will verify the capacity of the student to apply the relations between thermodynamic factors, so as to individuate the properties of matter and the energetic interactions of simple thermodynamic systems.
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