87926 - MICROSCOPIC KINETICS AND THERMODYNAMICS

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course, the student will learn the foundational laws that govern thermodynamic equilibrium in materials and systems of increasing complexity. He/she will be able to analyse non-equilibrium kinetic processes such as mass and charge transport by atomic diffusion, phase transformations (e.g. nucleation and spinodal decomposition), growth of nanostructures, and hydrogen absorption in metals. The student will learn the basics of energy conversion and storage processes that are vital for sustainable energy technologies.

Contenuti

 MODULO 1 (4 CFU)

Termodinamica di equilibrio

Proprietà fisiche di equilibrio e loro simmetria. Sistemi eterogenei a una componente (sostanze pure): equazione di Clapeyron, tensione del vapore, costruzione del diagramma di fase.

Sistemi omogenei a molti componenti: quantità termodinamiche parziali. Equazione di Gibbs-Duhem. Soluzioni solide ideali, diluite e regolari.

Sistemi eterogenei a molti componenti: condizioni di equilibrio. Modello microscopio per un sistema binario: ordinamento a lungo raggio e gap di miscibilità in funzione della temperatura. Il potenziale chimico. Diagrammi di fase binari: comprensione del significato e dei principi di costruzione con il metodo della tangente comune e la regola della leva. La regola delle fasi di Gibbs e i punti invarianti in un diagramma di fase. Esempi di diagrammi di fase binari: Al-Cu, Al-Si, Fe-C. Introduzione ai diagrammi di fase ternari.

Sistemi eterogenei a molti componenti con reazioni chimiche: affinità e Equazione di van 't Hoff.

Meccanismi cinetici

Termodinamica irreversibile e cinetica: accoppiamento di forze e flussi. Produzione di entropia: postulato base della termodinamica irreversibile. Principio di simmetria di Onsager: simmetria delle proprietà di trasporto. Effetti termoelettrici. Forze motrici e flussi di diffusione: il potenziale di diffusione. Legame fra punto di vista macroscopico e microscopico: salti atomici termicamente attivati, random walk e coefficiente di diffusione. L'equazione della diffusione. Meccanismi atomici per la diffusione: auto-diffusione, diffusione sostituzionale e interstiziale in gradiente di concentrazione, effetto Kirkendall, regime intrinseco ed estrinseco in cristalli ionici; trasporto ionico allo stato solido.

Struttura delle interfacce in solidi cristallini. Il concetto di microstruttura. Mobilità delle interfacce: forze trainanti. Curvatura e potenziale di diffusione. Forze capillari. Evoluzione di un'interfaccia con gradiente di curvatura: diffusione in superficie vs. trasporto di vapore. Cenni all'analisi di superfici anisotrope: faceting, gamma-plot e Wulff plot.

Coarsening di microstrutture (Ostwald ripening). Teoria di campo medio in approssimazione diffusion-limited e source-limited. Evoluzione morfologica in presenza di stress.

Introduzione alle traformazioni di fase: parametro d'ordine conservato e non conservato. Trasformazioni continue: decomposizione spinodale e ordine-disordine; equazioni di Cahn-Hilliard e di Allen-Cahn.

Trasformazioni discontinue: teoria classica della nucleazione. Nucleazione omogenea vs. eterogenea. Cenni alla nucleazione e crescita. Precipitazione nei sistemi Cu-Co e Al-Cu; effetto dello strain elastico sulla nucleazione.

MODULO 2 (2 CFU)

Conversione e stoccaggio di energia elettrochimica

Introduzione ai processi elettrodici. Potenziale delle fasi e termodinamica in sistemi elettrochimici. Cinetica elettrodica (modello di Butler-Volmer, processi a singolo step e multi step, teoria di Marcus per il trasferimento di carica). Meccanismi di trasporto di massa in soluzione. Doppio strato elettrochimico. Metodi elettrochimici potenziostatici e galvanostatici. Spettroscopia di impedenza elettrochimica. Elettrodeposizione di nanostrutture. Dispositivi elettrochimici per la conversione e lo stoccaggio di energia. Introduzione alla fotoelettrochimica dei semiconduttori.

Testi/Bibliografia

I lucidi delle lezioni e le dispense del docente sono disponibili su Virtuale.

Per approfondimenti si consiglia la consultazione dei libri di testo:

· R.W. Balluffi, S.M. Allen, W.C. Carter, Kinetics of Materials, Wiley

· R. DeHoff, Thermodynamics in Materials Science, Taylor and Francis

Metodi didattici

Lezioni frontali sia alla lavagna sia con videoproiettore. Questionari interattivi anonimi per rafforzare e stimolare l'apprendimento.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consiste in un colloquio orale diviso in due parti, una per ciascun modulo. La durata della parte relativa al modulo 1 è di circa 25 minuti, quella relativa al modulo 2 circa 15 minuti.

In ciascuna delle due parti, lo/la studente comincia con l'esposizione di un argomento a scelta fra quelli trattati durante l'insegnamento. Sono benvenuti ma non obbligatori approfondimenti sviluppati in modo autonomo dallo/a studente sulla base della bibliografia consigliata o di altra letteratura scientifica. L'esposizione dell'argomento a scelta dovrà svolgersi alla lavagna o su carta senza ausilio di slide e appunti e dovrà durare al massimo 15 minuti per il modulo 1 e 10 minuti per il modulo 2. Durante l'esposizione il docente potrà fare domande per chiarire o approfondire gli argomenti oggetto della presentazione. La presentazione dell'argomento a scelta dovrà essere approfondita: lo/a studente dovrà mostrare di conoscere le dimostrazioni dal punto di vista matematico e di aver ben compreso i principi fisici e le eventuali approssimazioni applicate. In seguito alla presentazione dell'argomento a scelta, il docente chiederà di esporre sinteticamente uno degli altri argomenti dell'insegnamento (vedi la descrizione dei  "Contenuti").In questa seconda parte, lo/a studente dovrà dimostrare di aver ben compreso i principali concetti fisici ma non è richiesto lo svolgimento di dimostrazioni. In particolare, lo/a studente dovrà delineare le assunzioni di partenza, le eventuali approssimazioni, e illustrare l'applicazione dei risultati.

La parte relativa al modulo 1 si concluderà con l'analisi di un diagramma di fase binario estratto a sorte dal docente. Lo/a studente dovrà illustrare tutte le informazioni che si estraggono da tale diagramma, quali i punti di fusione, i punti invarianti, i gap di miscibilità, i campi di esistenza delle fasi pure.

Punteggio: il voto finale è approssimativamente la media pesata del modulo 1 (peso 2/3) modulo 2 (peso 1/3). L'esame è superato quando il il voto in ciascun modulo è >=18. In ciascuno dei due moduli, il voto ottenuto è attribuito in base ai criteri elencati di seguito:

29-30L: Preparazione approfondita su tutti gli argomenti, capacità di analisi critica, padronanza della terminologia specifica;

26-28: Preparazione approfondita sull'argomento a scelta e discreta/buona sul resto, capacità di analisi critica, padronanza della terminologia specifica, espressione in linguaggio corretto;

22-25: Buona preparazione sull'argomento a scelta e discreta sul resto, capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente, espressione in linguaggio corretto;

18:21: Discreta preparazione sull'argomento a scelta e sufficiente sul resto, capacità di analisi che emerge solo con l’aiuto del docente, espressione in linguaggio complessivamente corretto.

Il voto ottenuto in seguito alla prova orale può essere rifiutato un massimo di due volte.

Strumenti a supporto della didattica

Le registrazioni delle lezioni sono disponibili su Virtuale fino alla data di completamento del corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Pasquini

Consulta il sito web di Raffaello Mazzaro