Heterogene likevekter og fasediagram

Dette emnet gir en bred og sammenhengende innføring i termodynamikk og faselikevekter slik de brukes på reelle materialer og industrielle prosesser. Undervisningen går fra de grunnleggende lovene i termodynamikken til entropi, fri energi, kjemisk potensial og aktivitet, og anvender deretter disse begrepene i analyser av løsninger, reaksjoner og likevekter i gasser, væsker og faste stoffer.

Det teoretiske rammeverket inngår fordi det er nødvendig for senere anvendelser, men det er ikke hovedfokus i emnet. Tyngdepunktet ligger på tolkningen av resultatene. Studentene arbeider med hvordan termodynamiske størrelser kan brukes til å forklare materialoppførsel, hvordan drivkrefter påvirker prosesser, og hvordan endringer i fri energi henger sammen med fasestabilitet, reaksjoner og mikrostrukturutvikling. Kunnskap fra det innledende faget i termodynamikk danner grunnlaget, men formålet her er å bruke termodynamikk som et analytisk verktøy for å forstå materialer.

En vesentlig del av emnet omhandler termodynamikken til løsninger. Dette omfatter ideelle, regulære og subregulære løsningsmodeller, aktiviteter og aktivitetskoeffisienter, partielt molare størrelser, Raoults og Henrys lover og Gibbs-Duhem-ligningen. Valg av standardtilstander for ulike systemer behandles også, sammen med konsekvensene dette har for tolkning av de reelle materialegenskapene.

Prinsippene anvendes deretter på faselikevekter. Studentene lærer å konstruere og tolke énkomponents-, tokoponents- og trekoponents fasediagrammer, og å relatere disse til fri-energikurver, fasestabilitet, invariante reaksjoner og faseomvandlinger. Gass-metall-likevekter og oksidasjonsegenskaper behandles gjennom Sieverts lov, interaksjonskoeffisienter, Wagners ligning og bruk av Ellingham diagrammer.

Eksempler i emnet er hentet fra metaller, legeringer, oksider og andre uorganiske materialer. Det overordnede målet er å bruke termodynamikken til å forstå materialegenskaper og prosessutvikling under ulike betingelser.

Etter fullført kurs skal studentene kunne:

Termodynamiske prinsipper

• Definere termodynamiske systemer, prosesser, tilstandsstørrelser og likevekt.
• Bruke termodynamikkens første, andre og tredje loven på reelle materialer.
• Beregne endringer i entalpi, entropi og fri energi basert på varmekapasiteter og data for faseoverganger.
• Identifisere retningen for spontan endring ved hjelp av kriterier basert på fri energi og entropi.

Løsninger og blandinger

• Beskrive ideelle og ikke-ideelle løsninger og bruke Raoults og Henrys lover.
• Bruke aktivitet, aktivitetskoeffisienter, fugasitet og partielt molare størrelser i praktiske beregninger.
• Anvende Gibbs-Duhem-ligningen og forstå forutsetningene og begrensningene i vanlige løsningsmodeller.
• Bruke regulære og subregulære løsningsmodeller for å tolke og forutsi egenskaper i flytende og faste løsninger.

Kjemisk potensial og reaksjonslikevekter

• Relatere kjemisk potensial til stabilitet og til drivkraften for reaksjoner og faseoverganger.
• Vurdere reaksjonslikevekter ut fra standard fri energi data.
• Bruke Sieverts lov for gassløselighet i metaller og bruke interaksjonskoeffisienter i utspedde løsninger.

Fasediagrammer

• Anvende Gibbs’ fase­regel for å bestemme frihetsgrader og begrensninger i et fasesystem.
• Konstruere enkle binære fasediagrammer basert på termodynamiske modeller.
• Tolke énkomponents-, tokoponents- og trekomponents fasediagrammer og hente ut relevant informasjon.
• Kjenne igjen og beskrive fasegrenser, tie-lines, invariante reaksjoner og tre-fase-trekanter.
• Bruke spakregelen (lever rule) for å beregne fasefraksjoner og fasekomposisjoner.
• Tolke Ellingham-diagrammer og relatere disse til oksidasjon og selektiv reduksjon.

Emnet undervises gjennom forelesninger og regneøvinger. HSC Chemistry brukes til å beregne termodynamiske data og til å undersøke likevekter. Relevant øvingsmateriale deles ut ukentlig.

Undervisningen gis på engelsk, og både semestertesten og eksamen er på engelsk. Studentene kan svare på engelsk eller norsk. Det totale arbeidsomfanget er om lag 200 timer.