Hoppa till huvudinnehållet
Till KTH:s startsida

KD2340 Molekylär termodynamik 7,5 hp

Att utveckla grundläggande kunskaper i statistisk termodynamik och dess tillämpningar i kemi och kemiteknik.

Information per kursomgång

Välj termin och kursomgång för att se aktuell information och mer om kursen, såsom kursplan, studieperiod och anmälningsinformation.

Termin

Kursplan som PDF

Notera: all information från kursplanen visas i tillgängligt format på denna sida.

Kursplan KD2340 (VT 2025–)
Rubriker med innehåll från kursplan KD2340 (VT 2025–) är markerade med en asterisk ( )

Innehåll och lärandemål

Kursinnehåll

Termodynamikens främsta styrka ligger i dess generalitet vilket gör att den anses tillhöra de fundamentala delarna av kemi. De flesta kurser i termodynamik undviker dock att behandla den mikroskopiska och molekylära bakgrunden till de mekanismer som förklaras av termodynamiken. I den här kursen avser vi att åtgärda denna brist, och utveckla de grundläggande kunskaper i statistisk termodynamik som krävs för att förstå de krafter som påverkar molekyler och förutsäga deras kombinerade beteende i fysiska, kemiska och biologiska system.

Under kursen kommer följande områden att diskuteras:

  • Sannolikhetslära.
  • Boltzmanns fördelningslag.
  • Statistisk mekanik för enkla gaser och fasta ämnen samt molekylär tolkningar av temperatur och värmekapacitet.
  • Kemiska- och fasjämvikter.
  • Lösningar, blandningar och överföring av molekyler mellan faserna.
  • Fysisk (dvs. diffusion, genomträngning och flöde) och kemisk kinetik.
  • Elektrostatik: Coulombs lag, elektrostatisk potential och elektrokemisk jämvikt.
  • Intermolekylära växelverkningar och fasövergångar.
  • Adsorption, bindning och katalys.
  • Termodynamiska egenskaper hos vatten.
  • Introduktion till termodynamik för polymerlösningar.

Avsikten med kursen är att studenten efter avklarad kurs ska ha lärt sig att (under förutsättning att man aktivt deltar och närvarar vid föreläsningar och övningar):

  • Beskriva och tillämpa sannolikhetslärans principer för att förutsäga molekylers beteende.
  • Beskriva och förklara begreppen Boltzmanns fördelningslag, molekylära partitionsfunktioner samt partitionsfunktionen hos ett system.
  • Beräkna vissa makroskopiska egenskaper från atomära och molekylära strukturer med hjälp av statistisk mekanik.
  • Beskriva den molekylära tolkningen av makroskopiska egenskaper såsom energi, entropi, temperatur och värmekapacitet.
  • Beräkna kemiska jämviktsreaktioner i gasfas från atomära strukturer.
  • Beskriva och förklara fasjämvikter baserade på begreppet kemisk potential.
  • Beskriva molekylära egenskaper hos vanliga blandningar och förutsäga fasseparation i vätskeblandningar.
  • Analysera fysikaliska kinetikfenomen i termer av ”icke-jämvikts” statistisk mekanik.
  • Förutsäga, med hjälp av ett statistisk termodynamiskt tillvägagångssätt, hur hastigheten av en kemiskreaktion beror på de involverade molekylära strukturerna.
  • Kombinera lagar från elektrostatik och termodynamisk jämvikt (dvs. Poisson-Boltzmanns ekvation) för att förutsäga jämvikter i lösningar innehållande laddade ämnen.
  • Beskriva de intermolekylära växelverkningarna som håller vätskor och fasta ämnen samman.
  • Tolka fasdiagram med hjälp av termer för statistisk termodynamik.
  • Beskriva processerna för bindning och adsorption till en yta.
  • Beskriva anomala termodynamiska egenskaper hos vatten och beskriva ursprunget av den hydrofoba effekten.
  • Förklara de molekylära termodynamiska egenskaperna för enkla makromolekyler i lösning.

Lärandemål

Efter kursen skall studenten kunna:

  • Redogöra i detalj för mikroskopiska modeller och grundläggande relationer för både entropi- och entalpitermer som tillsammans bestämmer fria energin för olika molekylära system.
  • Använda den resulterande formalismen och koncepten för att beskriva och förklara makroskopiskt beteende i olika material och system.

Kurslitteratur och förberedelser

Särskild behörighet

Avklarat examensarbete 15hp, 50hp inom kemiteknik eller kemi, 20 hp matematik och 6 hp datorkunskap/programmering . Engelska B/ 6.

Rekommenderade förkunskaper

Grundläggande kunskaper i fysik, kvantmekanik och molekylär struktur och bra kunskaper i klassisk termodynamik.  Kursen är avancerad och därmed rekommenderas inte för studenter på kandidatnivå.

Utrustning

Ingen information tillagd

Kurslitteratur

Ken A. Dill and Sarina Bromberg, Molecular Driving Forces, 2nd Edition, Garland Science.  ISBN 978-0-8153-4430-8. Additional material will be provided during the course.

Examination och slutförande

När kurs inte längre ges har student möjlighet att examineras under ytterligare två läsår.

Betygsskala

A, B, C, D, E, FX, F

Examination

  • TEN2 - Skriftlig tentamen, 7,5 hp, betygsskala: A, B, C, D, E, FX, F

Examinator beslutar, baserat på rekommendation från KTH:s handläggare av stöd till studenter med funktionsnedsättning, om eventuell anpassad examination för studenter med dokumenterad, varaktig funktionsnedsättning.

Examinator får medge annan examinationsform vid omexamination av enstaka studenter.

Övriga krav för slutbetyg

Slutbetyget baseras på  tentamensbetyget.

Möjlighet till komplettering

Ingen information tillagd

Möjlighet till plussning

Ingen information tillagd

Examinator

Etiskt förhållningssätt

  • Vid grupparbete har alla i gruppen ansvar för gruppens arbete.
  • Vid examination ska varje student ärligt redovisa hjälp som erhållits och källor som använts.
  • Vid muntlig examination ska varje student kunna redogöra för hela uppgiften och hela lösningen.

Ytterligare information

Kursrum i Canvas

Registrerade studenter hittar information för genomförande av kursen i kursrummet i Canvas. En länk till kursrummet finns under fliken Studier i Personliga menyn vid kursstart.

Ges av

Huvudområde

Kemi och kemiteknik, Kemiteknik

Utbildningsnivå

Avancerad nivå

Påbyggnad

Ingen information tillagd

Övrig information

Advice from previous students:

•The tempo is high, revise previous lecture scripts continuously during the course. Stay engaged with the course, and don't be afraid to ask questions because this subject is tough to chew. And the teachers are here to help you figure it out. … In the end, the richest learning experiences arise from banding together with other students and talking through the concepts. Putting your heads together and explaining to each other. Keep reminding yourself how these models relate to real-life problems. The amounts of links to real life applications are almost endless!

•Go to every lecture, and do not think that you can easily “catch up” by reading on your own if you miss it. The subject is challenging, and some parts of it will make you question yourself and the knowledge you have learned earlier. Do the homeworks and discuss in groups if possible. Ask the teachers questions when you don’t understand, I can promise you that you will not be the only one that has trouble understanding this course. At the end of the day, entropy describes life itself.

Best aspects of the course (previous students):

•it's probably the content itself which is the best part of the course. It links to almost everything we've done in our education so far, and everything we do can be applied to problems in other fields. It's really starting from the fundamentals, and working with this subject ties everything together under a big umbrella of understanding. I can't say I understand it all fully, but the amount of insight gained was tremendous, and I feel more confident with chemical problems in general after having had this course.

•It is one of the best courses I've taken at KTH. The concepts it teaches and discusses are important to any chemist, no matter which field you go into after graduation. The course had a good structure, and although it was very challenging, it was also very rewarding.