chemia fizyczna - termodynamika molekularna - praca semestralna

TERMODYNAMIKA MOLEKULARNA

szczegółowe wskazówki do pracy semestralnej

1. Cel pracy

2. Ogólny opis

3. Co powinno zawierać sprawozdanie z projektu

4. Dodatkowe uwagi

5. Przykładowa praca

Cel pracy

Celem pracy jest znalezienie odpowiedzi na następujšce pytania:

ˇ Jaka jest rzeczywista dokładnoć wybranego zestawu danych eksperymentalnych, opublikowanego w literaturze.

ˇ Jaki jest błšd przewidywania okrelonych właciwoci na podstawie metody udziałów grupowych i czy można zrezygnować z eksperymentu w przypadku potrzeby użycia tych danych.

Ogólny opis

A. Przewidywanie obejmować będzie zwykle jeden parametr, ale najczęciej w różnych warunkach. W grę wchodzš następujšce właciwoci:

Tabela 1

właciwoć	modele umożliwiajšce przewidywanie
równowaga ciecz-para w układach dwuskładnikowych (izoterma lub izobara)	UNIFAC, Nitta-Chao
entalpia nadmiarowa (H^E)	UNIFAC, Nitta-Chao
objętoć nadmiarowa (V^E)	Nitta-Chao

B. Dokładnoć przewidywania okrela się poprzez porównanie z danymi dowiadczalnymi. Jeli istnieje możliwoć użycia kilku modeli, można to wykorzystać do porównania ich dokładnoci.

C. Otrzymane miary odchyleń (zwykle odchylenia standardowe) muszš być odniesione do błędu eksperymentalnego. Bezporednio bowiem nie stawia się pytania sformułowanego w celu pracy, ale bada się o ile odchylenia pomiędzy wartociami przewidywanymi a eksperymentalnymi przewyższajš błšd pomiarowy. Ten ostatni musi być zatem znany. Powinien być przedstawiony w oryginalnym artykule. Niestety czasami pojawia się tendencja do deklaratywnego redukowania go przez autorów, co łatwo wytłumaczyć psychologicznie. Na szczęcie, w wielu sytuacjach, błšd ten może być niezależnie oszacowany poprzez korelację danych eksperymentalnych. Warunkiem poprawnoci takiej analizy jest znaczna liczba punktów dowiadczalnych oraz posługiwanie się bardzo elastycznymi równaniami regresji.

D. Dane eksperymentalne muszš być zatem skorelowane. Do korelacji właciwoci mieszanin dwuskładnikowych będziemy używać w tym celu równania Redlicha-Kistera. Algorytm wyboru optymalnej liczby parametrów równania korelacyjnego opisany jest w skrypcie przy omawianiu korelacji danych równowagi ciecz-para.

E. Model Nitta-Chao [1] należy do grupy modeli udziałów grupowych posługujšcych się funkcjami podziału zależnymi od objętoci. Umożliwia zatem przewidywanie znacznie większej liczby właciwoci niż modele oparte na sztywnej sieci. Model ten również posługuje się teoriš siatkowš. Nie uwzględnia istnienia nieobsadzonych węzłów, czyli dziur a zależnoć funkcji podziału od objętoci wprowadzona została poprzez uzależnienie od niej energii oddziaływań pomiędzy grupami. Dodatkowo przyjmuje się, że czšsteczka (segment) umieszczony w węle sieci, może tam się przemieszczać w ograniczonym zakresie. To ostatnie założenie jest właciwe modelom nazywanym modelami komórkowymi a będšcych zbiorem szerszym niż klasyczne modele siatkowe. Niestety, liczba wyznaczonych parametrów jest znacznie mniejsza niż dla metody UNIFAC [2], stšd też zastosowanie modelu jest ograniczone. Model nie nadaje się do opisu gazów i równowagi ciecz-para pod wysokimi cinieniami (podobnie zresztš jak UNIFAC), ale prowadzi do równania stanu fazy ciekłej i umożliwia obliczanie właciwoci wolumetrycznych.

Tabela 2

model	właciwoci, które można przewidzieć	dla jakich zwišzków
Nitta-Chao	wszystkie (konfiguracyjne) poza właciwociami par i gazów oraz równowagš ciecz-para pod wysokimi cinieniami	czyste: n-alkany, monoetery, 1-chloroalkany, ketony, 1-alkanole, estry i inne mieszaniny: n-alkan + (n-alkan, monoeter, 1-chloroalkan, keton, 1-alkanol, ester) i inne
zmodyfikowany UNIFAC	równowagi fazowe oraz funkcje nadmiarowe bez objętoci mieszania	tylko mieszaniny - ale praktycznie wszystkie możliwe

[1] T. Nitta, E.A.Turek, R.A.Greenkorn, K.C.Chao, AIChEJ., 1977, 23, 144.

[2] U. Weidlich, J. Gmehling, Ind. Eng. Chem., Res., 1987, 26, 1372.,

Co powinno zawierać sprawozdanie z projektu

W pracy powinny się znaleć następujšce elementy i rozdziały:

1. Autor, data, tytuł

Np.
Patrycja Pirania
Wydział Chemiczny PW, semestr 10, Warszawa, 24.12.2002
Przewidywanie gęstoci ciekłego n-heksanu w zakresie 0,1 - 50 MPa i 280-350 K

2. Streszczenie

Streszczenie
3-4 zdania podsumowywujšce pracę. W stylu: "zrobiono to i to", "stwierdzono to i to".

3. Cel pracy

Cel pracy
Dokładnie, jasno i zwięle przedstawiony cel pracy

4. Opis danych eksperymentalnych

Częć eksperymentalna
Krótki opis posiadanych danych (rodzaj, zakres parametrów, metoda, dokładnoć i oczywicie odnonik).

5. Opis obliczeń i podsumowanie

Dyskusja i wnioski
To najważniejsza częć pracy. Powinna się tu znaleć krótka wzmianka na temat metod lub modeli zastosowanych do znalezienia odpowiedzi na postawione pytanie. Nie musi to być opis szczegółowy. Przede wszystkim informacje muszš cisłe i jednoznaczne. Można posłużyć się odnonikami.
Otrzymane wyniki muszš być opisane i skomentowane. Na końcu powinny znaleć się wnioski, w których zawarta będzie odpowied postawiona w "celu pracy". Wnioski dotyczšce dokładnoci metody muszš być ilociowe i szczegółowe. Nie wystarczy jedynie powiedzieć: okrelony parametr jest przewidywany "dobrze" albo "le". Wniosek wartociujšcy musi opierać się na jakie mierze odchyleń (np. odchyleniu standardowym). Często wnioski nie sš jednoznaczne, ponieważ uzależnione sš od warunków - na przykład inna będzie odpowied dla różnych temperatur czy składów. Niektórych cech nie da się łatwo przełożyć na wartoć parametru. Wtedy pozostaje opisowa informacja. Na przykład - "pomimo że odchylenie standardowe jest małe, symetria krzywej nie jest dobrze odwzorowana".
Czy uzyskane odchylenia pomiędzy wartociami dowiadczalnymi a obliczonymi za pomocš modelu sš małe, czy duże? Czy mogš być zaakceptowane, czy też nie? Odpowied na to podstawowe pytanie zależy przede wszystkim od naszych wymagań (na przykład projektowych). Jeli takie wymogi nie sš sprecyzowane, punktem odniesienia sš rzeczywiste błędy eksperymentalne. Błšd obliczeń modelowych nie może być mniejszy niż błšd eksperymentalny. Jeli jest zbliżony, oznacza to, że model jest niemal perfekcyjny. Rzadko jednak tak się zdarza.

6. Spis literatury

Literatura
Patrz szczegółowe uwagi poniżej.

7. Wykresy

Patrz szczegółowe uwagi poniżej.

8. Odbitka (odbitki) kserograficzne artykułu lub jego fragmentu, z którego wzięto dane ew. w postaci pliku JPG

9. Plik z danymi w formacie użytym do obliczeń lub przesłany e-mailem

Dodatkowe uwagi

Ad. 6. - Spis literatury

Odnoniki literaturowe mogš być dwojakiego rodzaju - numerowane [1] albo ¹, według kolejnoci pojawiania się w tekcie, albo też zawierajšce nazwiska. Te drugie uszeregowane sš alfabetycznie w spisie literatury. Opis artykułu powinien zawierać wszystkich autorów (z inicjałami imion), nazwę czasopisma (zwykle w postaci ogólnie przyjętego skrótu), rok, wolumin (numer) i stronę, ew. zakres stron. Doć często występujš różnice pomiędzy czasopismami i można napotkać różnorodne formy zapisu. Dotyczy to przede wszystkim kolejnoci trzech ostatnich elementów. Postulowany format jest obecnie najpowszechniejszy, pewnie dlatego, że stoi za nim taki autorytet jak Americal Chemical Society.
Do odnonika czasami dodaje się również tytuł artykułu. Publikacje ksišżkowe muszš zawierać autora, tytuł i wydawcę (wraz z miejscem), rok oraz stronę (strony) na które się powołujemy.

Na przykład:

Kiedy gocie opucili już mieszkanie Kubusia Puchatka po suto zakrapianych urodzinach [1] i ostatnie talerze zostały umyte, ostatnie resztki jedzenia i ostatnie niedopałki uprzštnięte - zmęczeni Kubu z Prosiaczkiem [2] usiedli na wygodnych fotelach i zaczęli przypominać sobie o czym rozmawiali gocie. Szczególne wrażenie zrobiło na nich wystšpienie Sowy Przemšdrzałej. Wprawdzie niczego z niego nie zrozumieli, ale spodobały im się nazwy, którymi z wielkš swobodš posługiwała się Sowa - "eksperymenty", "ekstradycja", "chemiczny", "ergodyczny" i "kombinatoryczny".
No włanie, muszę naprawić swój kosmiczny kombinezon, westchnšł Prosiaczek. Zawsze jest potrzebny kiedy szykuje się Wielka Przyprawa. I miał rację. Nazwy te niosły z sobš korzenny zapach nieznanej egzotyki, tak silny, że żaden prawdziwy podróżnik nie mógł mu się oprzeć. Tak też było z Kubusiem Puchatkiem i Prosiaczkiem. Postanowili jutro z samego rana udać się do Stumilowego Lasu aby przeprowadzić Wielki Eksperyment Chemiczny [3]. I od razu rozpoczęli przygotowania, ponieważ wyprawa nie może się udać, jeli nie ma się odpowiedniego Ekwibunku.
Ekfi Bunek? Kto to jest Ekfi Bunek?- cichutko zapytał Prosiaczek, bo nie do końca był pewien czy powinien się zdradzać ze swojš niewiedzš. Hmm... - odpowiedział Kubu Puchatek. Hmm.. - zamruczał raz jeszcze, żeby nabrać większej pewnoci. No więc Ekfi Bunek, to jest osoba, bez której na pewno nie powiedzie się żaden Eksperyment [4]. Włanie jej szukamy! Nie wiedziałe o tym? Oczywicie, że wiedziałem, ale chciałem się upewnić. Zawsze to lepiej powiedzieć głono. Może ten Ekfi Bunek to usłyszy i sam do nas przyjdzie? - odparł Prosiaczek. Ale Ekfi Bunek chyba jednak nic nie słyszał. A może jest w szafie koło pieca? Nie było tam Ekfi Bunka, ale było ciepło i ciemno. Uuuuu, tak by się zdrzemnšć na krótkš chwilę, ziewnšł po raz pierwszy Prosiaczek. I nie zdšżył już ziewnšć po raz drugi, kiedy zasnšł.
A gdy tak spał i spał, przyszedł do niego Sen. niło mu się, że postanawia wraz ze swoim przyjacielem Kubusiem Puchatkiem udać się następnego dnia z samego rana do Stumilowego Lasu aby przeprowadzić Wielki Eksperyment Chemiczny. Od razu też rozpoczęli przygotowania, ponieważ wyprawa nie może się udać, jeli nie ma się odpowiedniego Ekwibunku. Ekfi Bunek? Kto to jest Ekfi Bunek? Cichutko zapytał Prosiaczek, bo nie do końca był pewien czy powinien się zdradzać ze swojš niewiedzš. Hmm... - odpowiedział Kubu Puchatek....[5].

Literatura

[1] S. Abstynent, Journal of Polish Folk Customs, 1995, 20, 135.
[2] H. Porc, Wybrane zagadnienia hodowli trzody chlewnej, PWN, Warszawa, 1987, str. 125.
[3] J. Flower, V. Daisy, A. Forgetmenot, International Journal of Experimental Chemistry, 1975, 124, 1234.
[4] J.W. Szczebrzeszczyński, Sir Ekphi Boonk. A Short Biography, Pergamon Press, Oxford, 1954, str. 75-76.
[5] H. Gartenrosen, I. Rosengarten, Infinite Time-Loops for Housewives, Househusbands, and Householders, Elsevier, Amsterdam, 2000, str. 1256-1260.

Albo

Kiedy gocie opucili już mieszkanie Kubusia Puchatka po suto zakrapianych urodzinach (Abstynent, 1995) i ostatnie talerze zostały umyte, ostatnie resztki jedzenia i ostatnie niedopałki uprzštnięte - zmęczeni Kubu z Prosiaczkiem (Porc, 1987) usiedli na wygodnych fotelach i zaczęli przypominać sobie o czym rozmawiali gocie. Szczególne wrażenie zrobiło na nich wystšpienie Sowy Przemšdrzałej. Wprawdzie niczego z niego nie zrozumieli, ale spodobały im się nazwy, którymi z wielkš swobodš posługiwała się Sowa - "eksperymenty", "ekstradycja", "chemiczny", "chimeryczny" i "kombinatoryczny".
No włanie, muszę naprawić swój kosmiczny kombinezon, westchnšł Prosiaczek. Zawsze jest potrzebny kiedy szykuje się Wielka Przyprawa. I miał rację. Nazwy te niosły z sobš korzenny zapach nieznanej egzotyki, tak silny, że żaden prawdziwy podróżnik nie mógł mu się oprzeć. Tak też było z Kubusiem Puchatkiem i Prosiaczkiem. Postanowili jutro z samego rana udać się do Stumilowego Lasu aby przeprowadzić Wielki Eksperyment Chemiczny (Flower et al., 1975). I od razu rozpoczęli przygotowania, ponieważ wyprawa nie może się udać, jeli nie ma się odpowiedniego Ekwibunku.
Ekfi Bunek? Kto to jest Ekfi Bunek? Cichutko zapytał Prosiaczek, bo nie do końca był pewien czy powinien się zdradzać ze swojš niewiedzš. Hmm... - odpowiedział Kubu Puchatek. Hmm.. - zamruczał raz jeszcze, żeby nabrać większej pewnoci. No więc Ekfi Bunek, to jest osoba, bez której na pewno nie powiedzie się żaden Eksperyment (Szczebrzeszczyński, 1954). Włanie jej szukamy! Nie wiedziałe o tym? Oczywicie, że wiedziałem, ale chciałem się upewnić. Zawsze to lepiej powiedzieć głono. Może ten Ekfi Bunek to usłyszy i sam do nas przyjdzie? - odparł Prosiaczek. Ale Ekfi Bunek chyba jednak nic nie słyszał. A może jest w szafie koło pieca? Nie było tam Ekfi Bunka, ale było tam ciepło i ciemno. Uuuuu, tak by się zdrzemnšć na krótkš chwilę, ziewnšł po raz pierwszy Prosiaczek. I nie zdšżył już ziewnšć po raz drugi, kiedy zasnšł.
A gdy tak spał i spał, przyszedł do niego Sen. niło mu się, że postanawia wraz ze swoim przyjacielem Kubusiem Puchatkiem udać się następnego dnia z samego rana do Stumilowego Lasu aby przeprowadzić Wielki Eksperyment Chemiczny. Od razu też rozpoczęli przygotowania, ponieważ wyprawa nie może się udać, jeli nie ma się odpowiedniego Ekwibunku. Ekfi Bunek? Kto to jest Ekfi Bunek? Cichutko zapytał Prosiaczek, bo nie do końca był pewien czy powinien się zdradzać ze swojš niewiedzš. Hmm... - odpowiedział Kubu Puchatek....(Gartenrosen i Rosengarten, 2000).

Literatura

Abstynent, S., Journal of Polish Folk Customs, 1995, 20, 135.
Flower, J., V. Daisy, A. Forgetmenot, International Journal of Experimental Chemistry, 1975, 124, 1234.
Gartenrosen, H., I. Rosengarten, Infinite Time-Loops for Housewives, Househusbands, and Householders, Elsevier, Amsterdam, 2000, str. 1256-1260.
Porc, H., Wybrane zagadnienia hodowli trzody chlewnej, PWN, Warszawa, 1987, str. 125.
Szczebrzeszczyński, J.W., Sir Ekphi Boonk. A Short Biography, Pergamon Press, Oxford, 1954, str. 75-76.

Ad. 7. - Wykresy

Ogólne uwagi dotyczšce tworzenia wykresów

Trzeba dokładnie rozróżnić pomiędzy symbolami na wykresie (odpowiadajš punktom eksperymentalnym) a zależnociami cišgłymi (krzywymi), które liczone sš na podstawie równań modelowych. Krzywe w praktyce również wykrelamy na podstawie szeregu punktów, ale ich liczba musi wystarczajšca, aby można było odtworzyć jakociowy przebieg krzywej poprzez interpolację. Często nie wystarczajš tutaj obliczenia dla tych samych warunków (składu, temperatury, etc.), dla których istniejš punkty eksperymentalne. W takich sytuacjach liczy się wartoci parametrów za stałym krokiem (np. co 0,025 dla ułamka molowego w układzie dwuskładnikowym) - umożliwia to opcja "kind of data - generated" w programie).
Wykresy muszš być opisane zgodnie z regułami sztuki - odpowiednie jednostki na osiach oraz wyjaniajšcy tytuł - np. zależnoć <taka i taka> dla układu <takiego i takiego>, w warunkach <takich i takich> ; (O) - dane eksperymentalne (odnonik); (_____) - obliczone na podstawie modelu <takiego a takiego> , etc. Wykresy muszš być numerowane (Rys.1, Rys. 2, ..., itd.).
Wszystkie wykresy powinny być omówione w głównym tekcie (Dyskusja i wnioski).

Przykładowa praca

Dostępna jest przykładowa praca, która warto przeczytać i uwiadomić sobie "jak to wszystko ma wyglšdać". Przestrzegam jednak przed zbyt dosłownym stosowaniem jej jako wzorca. Kolejne strony pracy zapamiętane sš w formacie graficznym (*.jpg). Dwie (najważniejsze) strony artykułu, z którego zaczerpnięto dane, podane sš poniżej.

praca - kolejne strony: 1 2 3 4 5 6 7 8

artykuł - kolejne strony: 1 2