9.3.20111 Termodynamika NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point.

Slides:



Advertisements
Podobné prezentace
Vícesložkové homogenní fáze (roztoky)
Advertisements

… „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where the smallest man-made devices meet.
Chemická termodynamika I
1T Fyzikální chemie NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point.
Termodynamika NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point.
IDEÁLNÍ PLYN Stavová rovnice.
Fázová rozhraní Fáze IFáze II z makroskopického hlediska.
Fázové rovnováhy Fáze je homogenní část soustavy oddělená od ostatních fází rozhraním, v němž se vlastnosti mění nespojitě – skokem. Soustavy s dvěma fázemi:
CHEMIE
Teplota Termodynamická (absolutní) teplota, T
ROVNOVÁŽNÝ STAV, VRATNÝ DĚJ, TEPELNÁ ROVNOVÁHA, TEPLOTA A JEJÍ MĚŘENÍ
Termodynamika Termodynamická soustava – druhy, složky, fáze, fázové pravidlo Termodynamický stav – rovnovážný, nerovnovážný; stabilní, metastabilní, nestabilní.
1 Termodynamika kovů. 2 Základní pojmy – složka, fáze, soustava Základní pojmy – složka, fáze, soustava Složka – chemické individuum Fáze – chemicky i.
Molekulová fyzika a termika
Fázové rovnováhy.
Fyzikální chemie NANOmateriálů
Termodynamika materiálů Ellinghamovy diagramy, Kelloggovy diagramy
1 1T Fyzikální chemie NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point.
FÁZOVÝ DIAGRAM.
Fázové rovnováhy podmínky rovnováhy v heterogenních soustavách
FMVD I - cvičení č.4 Navlhavost a nasáklivost dřeva.
Fyzikální chemie NANOmateriálů
Šablona:III/2č. materiálu: VY_32_INOVACE_FYZ_370 Jméno autora:Mgr. Alena Krejčíková Třída/ročník:1. ročník Datum vytvoření: Výukový materiál.
Fázové rovnováhy Fáze je homogenní část soustavy oddělená od ostatních fází rozhraním, v němž se vlastnosti mění nespojitě – skokem. Soustavy s dvěma fázemi:
Schéma rovnovážného modelu Environmental Compartments
1 … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where the smallest man-made devices.
Chemie anorganických materiálů I.
Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech (2)
okolí systém izolovaný Podle komunikace s okolím: 1.
Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech
METROLOGIE TEPLOTY P9.
Fyzikální chemie NANOmateriálů 5. Struktura nanočástic a nanomateriálů
Adsorpce plynů a adsorpce z roztoků na pevné materiály
Chemické rovnováhy (část 2.2.)
Fyzikální chemie NANOmateriálů
Fyzikální chemie NANOmateriálů
Termodynamika NANOmateriálů
Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech (12)
T Fyzikální chemie NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point.
Termodynamika materiálů Fázové diagramy binárních systémů
Využití kalorimetrie při studiu nanočástic
20141/45 Chemické a fázové rovnováhy v heterogenních systémech (1) 1.1 Stavové chování a termodynamické funkce pevných.
/41 Termodynamika NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point.
1 Fyzikální chemie NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where.
Změny skupenství Zpracovali: Radka Voříšková Petra Rýznarová
Chemické rovnováhy (část 2.4.)
Termodynamika materiálů Fázové diagramy binárních systémů
Termodynamika materiálů Fázové diagramy binárních systémů
… „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where the smallest man-made devices meet.
Fyzikální chemie NANOmateriálů
Termodynamika Základní pojmy: TeploQ (J) - forma energie Termodynamická teplotaT (K) 0K= -273,16°C - nejnižší možná teplota (ustane tepelný pohyb) EntropieS.
Ideální plyn velikost a hmota částic je vůči jeho objemu zanedbatelná, mezi částicemi nejsou žádné interakce, žádná atrakce ani repulse. Částice ideálního.
1 Fyzikální chemie NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where.
1 Fyzikální chemie NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where.
Joulův-Thomsonův jev volná adiabatická expanze  nevratný proces (vzroste entropie) ideální plyn: teplota se nezmění a bude platit: p1p1 V1V1 p 2 < p 1.
… „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where the smallest man-made devices meet.
Fyzikální chemie NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where.
Radovan Plocek 8.A. Stavové veličiny Izolovaná soustava Rovnovážný stav Termodynamická teplota Teplota plynu z hlediska mol. fyziky Teplotní stupnice.
Stavová rovnice ideálního plynu
Základní pojmy.
Koule – popis, praktické úlohy
1. ? Může se pevná látka měnit přímo na plyn?
Elektronické učební materiály – II. stupeň Fyzika 8
Statistická termodynamika Chemická rovnováha Reakční kinetika
Moderní poznatky ve fyzice Některé jevy moderní termodynamiky
Roztoky ROZTOK – homogenní soustava, která se skládá ze dvou, nebo více chemicky čistých látek (rozpouštědlo + rozpuštěná látka) PRAVÝ ROZTOK – homogenní.
Vznik nové fáze.
TERMODYNAMICKÁ TEPLOTA
Adsorpce plynů a adsorpce z roztoků na pevné materiály
Elektrárny 1 Přednáška č.3
Transkript prezentace:

Termodynamika NANOmateriálů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where the smallest man-made devices meet the atoms and molecules of the natural world.“ (Professor Eugen Wong, Assistant Director of the National Science Foundation, 1999)

Heterogenní rovnováhy v jednosložkových systémech 8.1Podmínky fázové rovnováhy pro zakřivená rozhraní  Odvození podmínek fázové rovnováhy pro systém částice – spojitá fáze  Závislost chemického potenciálu na rozměru částice  Gibbsovo fázové pravidlo 8.2Rovnováha (l)-(g)  Odvození rovnovážné podmínky pro konstantní teplotu T  Odvození rovnovážné podmínky pro konstantní tlak p g 8.3Rovnováha (s)-(g) 8.4Rovnováha (s)-(l)  Odvození z rovnovážné podmínky za předpokladu spojité taveniny  HGM (Homogeneous melting model ): rovnováha (s)-(l)-(g), trojný bod  LSM (Liquid shell model ): rovnováha (s)-(l) a (l)-(g), dvě fázová rozhraní  Závislost entalpie tání na rozměru částice 8.5Rovnováha (s)-(s)  Závislost  G tr na rozměru částice  Rovnováha (s1)-(s2)-(g), trojný bod Obsah přednášky (2011)

Rovnovážná podmínka Obecné odvození – uzavřený systém Povrchová práce

Rovnovážná podmínka Uzavřený jednosložkový systém [T,p ] α – (s) nebo (l) fáze β – (l) nebo (g) fáze V β, p Vα, pVα, p

Rovnovážná podmínka Vα, pαVα, pα V β, p β Uzavřený jednosložkový systém [T,V ] α – částice o poloměru r ; (s) nebo (l) fáze β – (l) nebo (g) fáze

Rovnovážná podmínka α = (l) α = (s)

Závislost chemického potenciálu na rozměru částice

Závislost chemického potenciálu na rozměru částice

Závislost chemického potenciálu na rozměru částice Látka10 12 β (Pa -1 ) C(dia)1,7 Au(fcc)5,9 Al(fcc)14 C(gr)30 K(bcc)310 Al 2 O 3 3,9 MgO5,9 BaZrO 3 7,9 GaAs13,4

Závislost chemického potenciálu na rozměru částice Jednosložkový systém A je to ještě složitější

Gibbsovo fázové pravidlo Rovnovážné podmínky Intenzivní proměnné Počet stupňů volnosti (v) = = Počet proměnných – počet podmínek Připomínka: Rovinné rozhraní Jednosložkový systém Fáze α a β

Sir William Thomson 1 st baron Kelvin of Largs Sir Joseph John Thomson … Anglický fyzik 1906 Nobelova cena za fyziku (elektron) Skotský matematik a fyzik absolutní teplota, …

Rovnováha při konstantní T Kelvinova rovnice (1870) Vl, plVl, pl T, p g Rovnováha (l)-(g)

Rovnováha (l)-(g)

Rovnováha při konstantním p g Gibbsova-Thomsonova rovnice (1888) Vl, plVl, pl T, p g Rovnováha (l)-(g) Gibbsova-Duhemova rovnice

Rovnováha (s)-(g) Vs, psVs, ps T, p g Rovnováha při konstantní T

Vs, psVs, ps T, p l Rovnováha (s)-(l) Spojitá tavenina Gibbsova-Thomsonova rovnice

Vs, psVs, ps V l, p l T, p g Rovnováha (s)-(l)-(g) HGM, Pawlow (1909) Rovnováha (s)-(l)

Rovnováha (s)-(l)

Vs, psVs, ps V l, p l T, p g Rovnováha (s)-(l), (l)-(g) LSM, Hanszen (1960) Rovnováha (s)-(l)

Rovnováha (s)-(l)

Rovnováha (s)-(l) Porovnání modelů pro predikci T F = f(r) In

Rovnováha (s)-(l) Závislost entalpie tání na velkosti částice

Rovnováha (s)-(l) Závislost entalpie tání na velkosti částice Q. Jiang, C.C. Yang, J.C. Li: Mater. Lett. 56 (2002) G. Guisbiers, L. Buchaillot: J. Phys. Chem. C 113 (2009)

Rovnováha (s)-(s) i) Vliv povrchové energie γ (práce potřebné k vytvoření nového povrchu o jednotkové ploše). S rostoucí velikostí plochy povrchu A vzrůstá příspěvek γA, a tak např. nízkokoteplotní fáze α s vyšší povrchovou energií (na jednotku plochy) ve formě nanočástic se může stát při dané teplotě T méně stabilní než vysokoteplotní fáze β s nižžší povrchovou energií. ii) Vliv zvýšeného tlaku  p = 2f/r uvnitř částice malých rozměrů. S rostoucím tlakem vzrůstá Gibbsova energie částice, přičemž růst je menší pro částice s vyšší hustotou (menším molárním objemem). Nízkokotlaká fáze α s nižší hustotou ve formě nanočástic se může stát při daném tlaku okolí p méně stabilní než vysokotlaká fáze β s vyšší hustotou.

Rovnováha (s)-(s)

Rovnováha (s)-(s)

Závislost  G tr na rozměru částice (Jiang et al., 2008) Rovnováha (s)-(s)

Rovnováha (s)-(s)

Závislost  G tr na rozměru částice (Barnard et al., 2004, …) Rovnováha (s)-(s) Ab-initio výpočet DFT-GGA

Rovnováha (s 1 )-(s 2 )-(g) Analogie HGM Rovnováha (s)-(s)

Rovnováha (s)-(s)

Literatura NANOMATERIÁLY 1.R. Defay, I. Prigogine: Surface Tension and Adsorption, Longmans, London R.T. DeHoff: Thermodynamics in Materials Science. McGraw-Hill, New York 1993 (Chap. 12). 3.S. Stolen, T. Grande, N.L. Allan: Chemical Thermodynamics of Materials. Macroscopic and Microscopic Aspects. J. Wiley, Chichester, 2004 (Chap. 6) Q. Jiang, C.C. Yang: Size effect on the phase stability of nanostructures, Current Nanosci. 4 (2008) Q. Jiang, S. Li: Thermodynamic considerations on solid structural transition temperatures of nanocrystals, Comput. Theor. Nanosci. 5 (2008)

O čem to bylo ? i) Povrch vs. objem: velikostní faktor – koule A/V = 3/r, „vše“ je f(1/r). ii) Při vzniku nového povrchu je třeba dodat práci. Energie souboru částic s velkým povrchem je vyšší než energie bulku o stejném objemu  nanosystémy jsou termodynamicky nestabilní. iii) V částicích malých rozměrů je vyšší tlak než v jejich okolí (plyn, kapalina), který je nepřímo úměrný jejich poloměru r. S rostoucím tlakem (klesajícím r) vzrůstá Gibbsova energie částic. iv) Gibbsova termodynamika povrchů a fázových rozhraní zavádí koncept „geometrického“ povrchu a povrchové termodynamické veličiny Z σ a z σ = Z σ /A. v) Závislosti termodynamických funkcí na r resp. 1/r lze popsat na základě příslušných rovnovážných podmínek nebo na pomocí vztahů vycházejících z odlišných vlastností povrchových a bulkových atomů (CN, délka a pevnost vazeb (E c ), vibrace aj.).

O čem to nebylo ! i )Nanovlákna a nanovrstvy. ii)Nanočástice v matrici (kompozitní materiály) a nanostrukturované materiály. iii)Fázová rovnováha (fázové diagramy) vícesložkových soustav. iv)Adsorpce na povrchu nanoobjektů. v)Chemická rovnováha, např. CVD. vi)…