B1772 - SCIENZA DEI MATERIALI 2

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente ha acquisito le conoscenze di base della termodinamica, dell'equilibrio, della cinetica e del potenziale chimico. Utilizza la termodinamica classica nello studio dei fenomeni di trasporto. Lo studente acquisisce le competenze necessarie per comprendere i principi fisici che soggiacciono alla chimica dei materiali. L'attività laboratoriale lo introduce ai primi esempi di tecniche e modelli applicati

Contenuti

Termodinamica (con laboratorio)

Introduzione. Sistemi termodinamici. Calore, lavoro ed energia interna. Entropia e suo significato statistico. Temperatura assoluta.

Equilibrio termodinamico (termochimica). Funzioni di stato ausiliarie: entalpia, energie libere di Gibbs e Helmholtz. Equazioni fondamentali. Capacità termiche. Termochimica.

Equilibrio di fase. Transizioni ed equilibri di fase (sistemi a un componente). Regola delle fasi. Grandezze molari parziali, soluzioni ideali e reali, attività. Transizioni ed equilibri di fase (sistemi a due componenti). Diagrammi di fase.

Equilibrio Chimico. Miscele reattive: equilibrio chimico e costanti di equilibrio. Effetto della temperatura sull'equilibrio con esercitazioni/effetto pressione

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 Cinetica (con laboratorio informatico)

Termodinamica statistica: teorica cinetica dei gas, distribuzione di Boltzmann.

Molecole in movimento: trasporto di un gas perfetto; diffusione, coefficiente di diffusione; conduttività termica; effusione; viscosità.

La cinetica chimica empirica: la definizione di velocità. Le leggi cinetiche e costanti cinetiche; l'ordine di reazione; la determinazione delle leggi cinetiche.

Integrazione delle equazioni cinetiche: reazioni di ordine zero; reazioni del 1° ordine; reazioni del 2° ordine; tempo di dimezzamento; equazione di Arrhenius, dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura.

Meccanismi di reazione: L'approssimazione dello stato stazionario; lo stadio cineticamente determinante; il controllo cinetico; reazioni unimolecolari.

Le reazioni in soluzione: diffusione ed effusione; Il controllo dall'attivazione e il controllo dalla diffusione; La catalisi omogenea: il meccanismo di Michaelis-Menten per la catalisi enzimatica.

Testi/Bibliografia

Per tutti i moduli:

P.W Atkins, J. De Paula, J. Keeler Chimica Fisica, VI ed. it., Zanichelli (2020)

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Per termodinamica: dispense di termodinamica (disponibili online su virtuale), dispense di esercitazioni di termodinamica (disponibili online su virtuale) per il laboratorio di termodinamica video e quiz disponibili su virtuale;

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Per cinetica: per il laboratorio, dispense introduttive disponibili su virtuale.

Metodi didattici

• Le lezioni frontali saranno mirate alla comprensione teorica e all'utilizzo pratico di strumenti per risoluzione di problemi di termodinamica e di cinetica chimica.
• Le lezioni saranno accompagnate da esercizi numerici, che affiancheranno la trattazione teorica, con verifiche dell'apprendimento attraverso quiz di autovalutazione.
• Le lezioni saranno accompagnate da attività svolte in laboratorio che forniranno agli studenti l'opportunità di affrontare problemi reali individualmente. Sarà previsto un laboratorio sperimentale di termodinamica ed un laboratorio computazionale di cinetica. La parte sperimentale delle attività di laboratorio sarà suddivisa in tre fasi: i) preparazione pre-laboratorio: agli studenti verrà fornito materiale didattico (video, quiz di autovalutazione e lezioni in aula) prima del laboratorio in modo tale da arrivare preparati al laboratorio; ii) svolgimento in-laboratorio: verranno affrontate le principali tematiche del corso attraverso sperimentazione ed elaborazione dei dati; iii) valutazione post-laboratorio: al termine delle attività laboratoriali gli studenti elaboreranno i dati ottenuti con il supporto del docente e i risultati delle esperienze saranno discussi tramite presentazione power point o relazione.
  La parte computazionale, similmente organizzata, si focalizzerà sull’utilizzo del calcolatore per la modellizzazione e la soluzione numerica di argomenti/problemi affrontati durante le lezioni frontali. Durante le attività laboratoriali gli studenti impareranno ad organizzare i codici ed i risultati ottenuti attraverso notebooks (si vedano, ad esempio, i Jupyter notebook), da consegnare al docente.
• In considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza all’attività formativa laboratoriale richiede lo svolgimento di tutti gli studenti dei moduli 1 e 2 sulla sicurezza in laboratorio in modalità e-learning [https://www.unibo.it/it/servizi-e-opportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-di-studio-e-tirocinio] e la partecipazione al Modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del Modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Termodinamica: Una prova orale mirata al raggiungimento da parte dello studente della comprensione delle metodologie teoriche della termodinamica e di una conoscenza pratica di come trattare problemi di termodinamica. La prova è valida per sempre.

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Cinetica: Una prova scritta e con utilizzo del calcolatore, mirata a verificare la comprensione degli argomenti di cinetica dal punto di vista teorico e pratico, attraverso lo svolgimento di un problema analogo a quelli affrontati in laboratorio informatico.

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Il voto finale del Corso integrato viene definito, come media pesata per il numero dei crediti dei voti riportati nelle due parti del corso. Nel caso di voto 30/30 in entrambi i moduli e almeno una lode viene attribuita la lode anche nel voto complessivo.

Anche la presenza, la partecipazione durante il laboratorio e la discussione finale dell’esperienza di laboratorio verrà considerata nel voto finale delle prove.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, proiettore, laboratori didattici (informatico e sperimentale), esercitazioni numeriche, supporto video, virtuale e quiz di autovalutazione (attraverso l’utilizzo di virtuale o di Kahoot)

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Giovanni Valenti

Consulta il sito web di Francesco Segatta

Consulta il sito web di Ivan Rivalta