Předmět Transportní procesy v mikrosvětě (N409083)

Na serveru studentino.cz naleznete nejrůznější studijní materiály: zápisky z přednášek nebo cvičení, vzorové testy, seminární práce, domácí úkoly a další z předmětu N409083 - Transportní procesy v mikrosvětě, Fakulta chemicko-inženýrská, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze (VŠCHT).

Materiál	Typ	Datum	Počet stažení

Sylabus

Přednášky:1. Transport tepla v mikrosvětě - molekuly, fonony, elektrony a fotony. Molekulární podstata difúze, sdílení hybnosti (viskozity), vedení tepla, tepelné kapacity - odvození pro plyn, úvod pro kapaliny. Vedení tepla v úzké štěrbině plynu - limitní intenzita tepelného toku (neplatnost Fourierova zákona).2. Transport tepla v krystalických nekovech a kovech. Transport tepla v krystalických dielektricích - řešení vlnových rovnic, fonony, rychlost zvuku, disperzní křivky. Transport elektronů v kovech - pásová struktura energetických hladin, Fermiho energie, souvislost mezi transportem elektronů a vedením tepla.3. Radiačně-tepelný transport v průteplivých materiálech. Beer, Stefan-Boltzmann, Fresnel, černé a šedé těleso, průteplivost, interference. Tunelování fononů a fotonů. Tepelně-izolační materiály: aerogely, mikro- a nano-porézní pěny, keramika.4. Brownův pohyb částic a difúze. Od teorie náhodného pohybu (tj. chůze opilého námořníka) k Fickově difúzi. Střední kvadratická vzdálenost vs doba difúze. Grahamův zákon a efúze (také v plících). Maxwell-Stefanovy konstitutivní rovnice pro transport hmoty (gradient chemického potenciálu jako hybná síla).5. Axiální disperze. Odvození Taylorovy-Arisovy disperze pro laminární tok v trubici, disperze pro vyvinutou turbulenci - srovnání disperzních koeficientů. Problém lineární chromatografie. Vyhodnocení axiální disperze metodou momentů.6. Přehled silových interakcí v částicových systémech. Silové interakce ne-kontaktní a kontaktní, interakce mezi částicemi a s tekutinou. Normálové a tangenciální interakce. Vysvětlení hystereze force-distance křivek v AFM. Kinetické modely pro stabilizované a nestabilizované částice v režimu řízeném difúzí (DLCA, RLCA) a střihem (kvalitativně). Einstein a Smoluchowski (opakování). Mikro-skopické mechanismy adhese (opakování).7. Rheologie zředěných a koncentrovaných disperzí. Einstein (zředěné suspenze). Krieger-Dougherty (koncentrované suspenze). Power-law liquid. Shear thinning, shear thickening, tixotropic, visko-elasticita (nejen fenomenologicky, ale vysvětlení mikro-skopických příčin pro suspenze či polymery). Vliv distribuce velikosti částic, vliv elektrické dvojvrstvy na povrchu částice na viskozitu.8. Molekulární podstata povrchového či mezifázového napětí. Proč jsou kapky deště malé? Super-hydrofobní povrchy. Ink-jetová tiskárna. Povrchové napětí v okrajových podmínkách pro Navier-Stokesovy rovnice. Škálování - Webrovo, kapilární a Marangoniho číslo. Laplaceova rovnice (opakování). Ostwaldovo zrání. Scale-up míchání pro zajištění požadované distribuce velikosti částic.9. Smáčení. Youngův zákon, smáčecí úhly. Kapilární adhese (brouci). Jehla plavoucí na vodě. Hmyz chodící po vodě. Tvar statického menisku v široké a úzké trubici. Dynamika kapilární elevace a poklesu. Smáčení drsného povrchu (Cassie, Wenzel, Fakir) - detailně a podrobně.10. Marangoniho tok způsobený gradientem povrchového napětí (v důsledku profilu teploty či koncentrace). Rayleigh-Bénardova konvekce. Slzení vína ve sklenici. Marangoniho tok způsobený surfaktantem. Marangoniho konvekce v pěnách. Vítr nad hladinou vody. Hystereze kontaktního úhlu. Auto-oscilace kapky oleje se surfaktantem.11. Makro-fázová separace řízená termodynamickými hybnými silami. Gibbsova směšovací energie, enthalpické a entropické příspěvky. Mísitelnost a omezená mísitelnost, závislost na teplotě. Hildebrandův a Hansenův parametr rozpustnosti. Výpočet binodály a spinodály z termodynamického modelu. Bobtnání a osmotický tlak. Cahn-Hilliardův model fázové separace založený na zobecněném chemickém potenciálu včetně mezi-fázového napětí. Spinodální dekompozice. Ostwaldovo zrání.12. Mikro-fázové utváření morfologie řízené kinetikou. Kinetika růstu krystalů a lamel. Růst fraktální struktury sněhové vločky. Gibbsova teorie nukleace a problémy s její aplikací. Kelvinova rovnice (opakování). Utváření tzv. meso-fáze (lipidové dvojvrstvy, želatina, kapalné krystaly, mikro-struktura polyurethanu či polyethylénu, blokové kopolymery). Problém scale-up krystalizace.13. Nano-skopické utváření morfologie řízené chemickou afinitou, selektivní adsorpcí, případně povrchovým napětím. Termodynamika adsorpce a komplexace (např. vodíkovými vazbami). Nanokrystaly. Koloidní templátování.Cvičení:1. Ustálené vedení tepla v úzké štěrbině plynu - nemožnost aplikace základní termodynamiky (není lokální termodynamická rovnováha). Řešení integrální rovnice. Transport tepla radiací v úzké štěrbině. Limitní intenzita tepelného toku. Limitní hodnota koeficientu přestupu tepla. Tepelná izolace v 1D-pěně (analytické řešení). Problém průteplivosti a P1-aproximace. Praktické závěry pro lepší izolanty. Rozsah: 2 týdny.2. Brownův pohyb a difúze. Simulace Monte-Carlo (vedoucí také ke gyračnímu poloměru polymerů). Skutečná dynamická simulace pomocí Brownian dynamics. Simulace difúze Brownovým pohybem. Pohyb prachové částice o průměru 1 mikron na vzduchu. Rozsah: 2 týdny.3. Maxwell-Stefanova difúze. Difúze "v obráceném směru" ve tří-složkovém systému. Grahamův zákon a efúze. Rozsah: 1 týden.4. Aglomerace koloidních částic. Kinetické modely pro stabilizované a nestabilizované částice v režimu řízením difúzí. DLCA (diffusion-limited cluster aggregation), RLCA (reaction-limited cluster aggregation). Fraktální dimenze a kompaktnost agregátů. Problém aglomerace různě velkých koloidních částic. Particle capture by van der Walls at wall. Modelování konceptem DEM (metoda diskrétních elementů). Rozsah: 2 týdny.5. Smáčení a Marangoniho tok. Vhodný příklad a ilustrovaný postup modelování je stále předmětem diskuse. Rozsah: 2 týdny.6. Cahn-Hilliardův model fázové separace. Dynamická simulace fázové separace a Ostwaldova zrání v 1D. Od Hildebranda (či Hansena) k fázovému diagramu kapalina-kapalina či polymer-kapalina. Výpočet binodály a spinodály. Bobtnání a osmotický tlak. Rozsah: 3 týdny.

Garant

Kosek Juraj doc. Dr. Ing.Zubov Alexandr Ing. Ph.D.