Nerovnovážná termodynamika elektrochemie - NMMO660

• Anglický název: Non-equilibrium thermodynamics of electrochemistry
• Zajišťuje: Matematický ústav UK (32-MUUK)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2023
• Semestr: letní
• E-Kredity: 4
• Rozsah, examinace: letní s.:2/1, Z+Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština, angličtina
• Způsob výuky: prezenční
• Další informace: http://www.karlin.mff.cuni.cz/~pavelka/elchem.html
• Garant: doc. RNDr. Michal Pavelka, Ph.D.
• Vyučující: doc. RNDr. Michal Pavelka, Ph.D.
• Třída: DS, matematické a počítačové modelování; M Mgr. MOD; M Mgr. MOD > Volitelné; Mat. modelování
• Kategorizace předmětu: Matematika > Matematika, Algebra, Diferenciální rovnice, teorie potenciálu, Didaktika matematiky, Diskrétní matematika, Matematická ekonomie a ekonometrie, Předměty širšího základu, Finanční a pojistná matematika, Funkční analýza, Geometrie, Předměty obecného základu, , Reálná a komplexní analýza, Matematika, Matematické modelování ve fyzice, Numerická analýza, Optimalizace, Pravděpodobnost a statistika, Topologie a kategorie, Matematické modelování ve fyzice; Fyzika > Matematické a počítačové modelování ve fyzice

Anotace

čeština

Elektrochemie je disciplínou spojující transport hmoty a elektrického náboje. Je nezbytným nástrojem například pro popis baterií, palivových článků nebo elektrolyzérů. Cílem přednášky bude zformulovat základní rovnice popisující elektrochemické procesy pomocí nerovnovážné termodynamiky a demonstrovat některá jejich řešení.

Poslední úprava: Šmíd Dalibor, Mgr., Ph.D. (24.04.2018)

angličtina

Elektrochemistry connects transport of matter and of electric charge. It is a necessary tool for description of batteries, fuel cells and electrolysers. The goal of the course is to formulate fundamental equations describing elecrochemical processes by means of non-equilibrium thermodynamics and to present some of their solutions.

Poslední úprava: Šmíd Dalibor, Mgr., Ph.D. (14.05.2019)

Podmínky zakončení předmětu

čeština

Zápočet bude udělen za vypracování domácích úkolů a písemky. Na zkoušku je třeba základní porozumění probrané látce a bude se detailně probírat jedno vybrané téma.

Poslední úprava: Pavelka Michal, doc. RNDr., Ph.D. (15.02.2021)

angličtina

After solving homework problems and passing a test, the exam will consist of detailed discussion of a chosen topic, proving general understanding of the whole lecture.

Poslední úprava: Pavelka Michal, doc. RNDr., Ph.D. (15.02.2021)

Literatura

čeština

Michal Pavelka, Václav Klika and Miroslav Grmela. Multiscale Thermo-Dynamics, de Gruyter (Berlin), 2018

Pavelka, M., Klika, V., Vágner, P., Maršík, F., Generalization of Exergy Analysis, Applied Energy 137 (2015), pp. 158-172

Atkins, de Paula, Physical Chemistry, OUP Oxford; 9 edition, 2009

Kjelstrup, S. and Bedeaux, D., Non-equilibrium thermodynamics of heterogeneous systems, World Scientific 2008

Poslední úprava: Pavelka Michal, doc. RNDr., Ph.D. (14.05.2019)

Požadavky ke zkoušce

čeština

Podmínky zkoušky: Základní porozumnění probranému.

Podmínky zápočtu: Vyřešení domácích úkolů a písemky.

Poslední úprava: Pavelka Michal, doc. RNDr., Ph.D. (15.02.2021)

angličtina

To pass the exercises you should solve homeworks and pass a test.

To pass the exam, you will be asked to prove that you understand what we talked about.

Poslední úprava: Pavelka Michal, doc. RNDr., Ph.D. (15.02.2021)

Sylabus

čeština

1) Shrnutí Maxwellových rovnic pro elektromagnetické pole, magnetizace, polarizace.

2) Shrnutí rovnic popisujících transport směsí v mechanické rovnováze (Maxwell-Stefanovy difuzní vztahy). Entropie a volná energie směsí. Produkce entropie.

3) Propojení rovnic pro elektromagnetické pole a difuzních rovnic. Objevení Lorentzovy síly, elektrochemického potenciálu, Maxwellova tenzoru napětí. Základní reologické chování směsi. Poissonova rovnice. Ohmům zákon, Nernst-Planck-Poissonovy rovnice, Fickův zákon.

4) Elektrochemické reakce. Butler-Volmerova rovnice. Rovnováha. Práce s elektrochemickými tabulkami, referenční chemické potenciály. Nernstův vztah pro napětí. Osmotický tlak, Donnanův potenciál, open-circuit voltage. Disociace a rovnovážná konstanta. Napětí vodíkového palivového článku a vanadové průtočné baterie.

6) Propojení transportních rovnic a elektrochemických reakcí. Popis vodíkového palivového článku.

7) Účinnost zařízení produkujícího elektrickou energii. Souvislost s produkcí entropie. Stabilita systému pomocí Braun-Le Chatelierova principu.

Poslední úprava: Šmíd Dalibor, Mgr., Ph.D. (24.04.2018)

angličtina

1) Review of Maxwell equations for electromagnetic field, magnetization and polarization.

2) Review of equation for transport of mixtures in mechanical equilibrium (Maxwell-Stefan diffusion relations). Entropy, free energy of mixtures. Entropy production.

3) Connection between Maxwell equations and diffusion equations. Lorentz force, electrochemical potential, Maxwell stress tensor. Basic rheological behavior of mixtures. Poisson equation. Ohm's law, Nernst-Planck-Poisson equations, Fick's law.

4) Electrochemical reactions, Butler-Volmer equation and equilibrium constants. Electrochemical tables, reference chemical potentials. Nernst relation, osmotic pressure, Donnan potential, open-circuit voltage and dissociation. Voltage of hydrogen fuel cells and redox flow batteries.

6) Transport equations, electrochemical reactions and description of hydrogen fuel cells.

7) Efficiency of energy producing devices, relation to entropy production. Stability using Braun-Le Chatelier principle.

Poslední úprava: Pavelka Michal, doc. RNDr., Ph.D. (14.05.2019)