Tentamen Statistische Thermodynamica MST 19/6/2014

Vergelijkbare documenten
Tentamen Statistische Thermodynamica MS&T 27/6/08

TENTAMEN. Thermodynamica en Statistische Fysica (TN )

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

Tentamen Quantum Mechanica 2

Eindtoets 3BTX1: Thermische Fysica. Datum: 3 juli 2014 Tijd: uur Locatie: paviljoen study hub 2 vak c & d

Opgave 2. Voor vloeibaar water bij K en 1 atm zijn de volgende gegevens beschikbaar:

UITWERKING. Thermodynamica en Statistische Fysica (TN ) 3 april 2007

Thermodynamica 2 Thermodynamic relations of systems in equilibrium

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB65. 5 juli 2013, uur

Examen Statistische Thermodynamica

TENTAMEN CHEMISCHE THERMODYNAMICA voor F2/MNW2. Vrijdag 23 december 2005

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB65. 6 juli 2012, uur

Biofysische Scheikunde: Statistische Mechanica

Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C November uur

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB augustus 2011, uur

Opgaven bij het vormen van ruimte: van Poincaré tot Perelman

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C110 3 juli uur

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB65 en Statistische Fysica 3CC augustus 2010,

Fysische Chemie en Kinetiek

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

Opgave 1 Vervormd vierkant kristal en elektronische structuur (totaal 24 punten)

Hertentamen Statistische en Thermische Fysica II Woensdag 14 februari 2007 Duur: 3 uur

Tentamen optimaal sturen , uur. 4 vraagstukken

De twee snelheidsconstanten hangen op niet identieke wijze af van de temperatuur.

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB januari 2013, uur

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen OGO Fysisch Experimenteren voor minor AP (3MN10) Tentamen Inleiding Experimentele Fysica (3AA10)

Fysische Chemie en Kinetiek

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY, MST1211TA1, LB1541) 10 maart uur Docenten: L. de Smet, B. Dam

HERHALINGS TENTAMEN CHEMISCHE THERMODYNAMICA voor S2/F2/MNW2 Woensdag 14 januari, 2009,

Tentamen Fysica: Elektriciteit en Magnetisme (MNW en SBI)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

De vergelijking van Antoine

Definitie. In deze workshop kijken we naar 3 begrippen. Massa, Volume en Mol. Laten we eerst eens kijken wat deze begrippen nu precies inhouden.

Hertentamen CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 14 April uur Docenten: L. de Smet, B. Dam

leeftijd kwelder (in jaren)

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

Trillingen en geluid wiskundig

Eindtoets 3BTX1: Thermische Fysica. Datum: 12 augustus 2014 Tijd: uur Locatie: Matrix Atelier 3

/14 /28 /28 /30 /100. Naam:.. Studentnr.:.. Resultaten: Totaal: Opgave 1 Opgave 2 Opgave 3 Opgave 4

Uitwerkingen Tentamen Gewone Differentiaalvergelijkingen

2 Concentratie in oplossingen

Theory DutchBE (Belgium) De grote hadronen botsingsmachine (LHC) (10 punten)

Antwoorden Tentamen Fysica van de Vaste Stof woensdag 2 maart 2011, uur

Resultaten IJkingstoets Bio-ingenieur 1 september Nummer vragenreeks: 1

THERMODYNAMICA 2 (WB1224)

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C Juni uur

7. Hamiltoniaanse systemen

toelatingsexamen-geneeskunde.be Vraag 2 Wat is de ph van een zwakke base in een waterige oplossing met een concentratie van 0,1 M?

13 Zonnestelsel en heelal

Tentamen Elektromagnetisme 1 (NS-103B)

Tentamen Wiskunde A. Het gebruik van een mobiele telefoon of andere telecommunicatieapparatuur tijdens het tentamen

Wiskundige functies. x is het argument of de (onafhankelijke) variabele

Eindexamen vwo wiskunde B pilot 2013-I

Examen HAVO. wiskunde B. tijdvak 1 woensdag 14 mei uur

Tentamen Chemische Binding NWI-MOL056 Prof. dr. ir. Gerrit C. Groenenboom, HG00.304/065, 17:30-20:30/21:30, 6 feb 2014

AAN DE SLAG Arbeid verricht door de wrijvingskracht (thema 1)

Toets02 Algemene en Anorganische Chemie. 30 oktober :00-15:30 uur Holiday Inn Hotel, Leiden

Reactiesnelheid (aanvulling 8.1, 8.2 en 8.3)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 9 januari 2008 van 9:00 12:00 uur

5, waar gaat dit hoofdstuk over? 1.2 stoffen bij elkaar: wat kan er gebeuren? Samenvatting door een scholier 1438 woorden 31 maart 2010

Tentamen Voortgezette Kansrekening (WB006C)

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT DER TECHNISCHE NATUURKUNDE GROEP TRANSPORTFYSICA

Tentamen Quantum Mechanica 2

UITWERKING MET ANTWOORDEN

MODELBOUW eindopdrachten 6 november 2006

Toets 1 IEEE, Modules 1 en 2, Versie 1

1 Bellenvat. 1.1 Intorductie. 1.2 Impuls bepaling

Tentamen Elektromagnetisme (NS-103B)

LOPUC. Een manier om problemen aan te pakken

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT WERKTUIGBOUWKUNDE DIVISIE COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL MECHANICS

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 7 maart uur Docenten: T. Savenije, B. Dam

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

TI83-werkblad. Vergelijkingen bij de normale verdeling

/14 /28 /28 /30 /100. Naam:.. Studentnr.:.. Resultaten: Totaal: Opgave 1 Opgave 2 Opgave 3 Opgave 4

15.0 Voorkennis. Herhaling rekenregels voor differentiëren: (somregel) (productregel) (quotiëntregel) n( x) ( n( x))

Paragraaf 13.1 : Berekeningen met de afgeleide

PT-1 tentamen, , 9:00-12:00. Cursus: 4051PRTE1Y Procestechnologie 1 Docenten: F. Kapteijn & V. van Steijn

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

ANTWOORDEN EN UITWERKINGEN TENTAMEN QUANTUMMECHANICA 2 VAN 8 JUNI e +" 1 = 1. e (" )=(k BT )

Calculus I, 23/11/2015

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2019 TOETS APRIL 2019 Tijdsduur: 1h45

M V. Inleiding opdrachten. Opgave 1. Meetinstrumenten en grootheden. Vul het schema in. stopwatch. liniaal. thermometer. spanning.

Tentamen Simulaties van biochemische systemen - 8C110 8 April uur

Scheidingstechnologie by M.A. van der Veen and B. Eral

1. Langere vraag over de theorie

3 Formules en de grafische rekenmachine

Paragraaf 11.0 : Voorkennis

10 Materie en warmte. Onderwerpen. 3.2 Temperatuur en warmte.

Wiskunde Vraag 1. Vraag 2. Vraag 3. Vraag 4 21/12/2008

Eindexamen wiskunde B havo II

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 7 maart uur Docenten: T. Savenije, B. Dam

Hoofdstuk 4 Kwantitatieve aspecten

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica 1 juli 2015 Oplossingen

HOVO Het quantum universum donderdag 19 februari 2009 OPGAVEN WEEK 3 - Oplossingen

Toets 4 Calculus 1 voor MST, 4501CALC1Y woensdag 28 oktober 2015; 13:45-15:45 uur Technische Universiteit Delft, Faculteit EWI

Technische ThermoDynamica Samenvatter: Maarten Haagsma /6 Temperatuur: T = ( /U / /S ) V,N

tentamen stromingsleer (wb1225), Faculteit 3mE, TU Delft, 28 juni 2011, u

Transcriptie:

Tentamen Statistische Thermodynamica MST 19/6/214 Vraag 1. Soortelijke warmte ( heat capacity or specific heat ) De soortelijke warmte geeft het vermogen weer van een systeem om warmte op te nemen. Dit vermogen is afhankelijk van of deze opname plaatsvindt bij constante druk of bij constant volume: Constant volume: q V = U soortelijke warmte: c V ( U T Constante druk: q p = H soortelijke warmte: c p ( H T We beschouwen eerst een ideaal gas zonder interne vrijheidsgraden dat bestaat uit N gelijke moleculen bij een temperatuur T. a. Bepaal c p en c V voor een ideaal gas uit bovenstaande formules. In het vervolg beschouwen we één enkel waterstof molecuul (N = 1). Onderstaand figuur geeft de soortelijke warmte c V weer voor het waterstof molecuul als functie van de temperatuur: ) ) V p De temperatuur is uitgedrukt in Kelvin en de soortelijke warmte is uitgedrukt in k B. b. Geef een fysische interpretatie voor de aanwezigheid van de drie niveau s in het figuur (stippellijnen). c. Geef tevens een quantitatieve verklaring voor de hoogte van de drie niveau s gebruikmakend van de equipartitiewet. Doe dit zo volledig mogelijk door steeds de vrijheidsgraad en de daarbij behorende energie te identificeren. d. Maak op grond van het figuur een schatting voor de waardes van Θ vib en Θ rot voor waterstofgas. Neem voor deze schatting het figuur netjes over en geef hierin aan hoe je de waardes voor Θ vib en Θ rot hebt bepaald.

Vraag 2. Toestandssom We beschouwen een systeem dat bestaat uit N gelijke moleculen bij temperatuur T. a. Geef een formule voor de toestandssom Z en geef in een formule aan hoe de toestandssom gerelateerd is aan de Helmholtz vrije energie F. We beschouwen in het vervolg een systeem van twee identieke moleculen (N = 2) op een 3x3 rooster met 9 mogelijke posities: b. Eerst nemen we aan dat er géén interactie is tussen de twee moleculen (E = ). Bepaal voor die situatie: (i) de één-deeltjes toestandssom z, (ii) de toestandssom Z. In de rest van deze opgave zullen we aannemen dat er wél interactie is tussen de twee moleculen en dat de interactie ervoor zorgt dat de twee moleculen niet op dezelfde positie kunnen zitten en dat: - E =, wanneer de twee moleculen niet direct naast elkaar zitten (16 manieren), - E = ε, (ε > ) wanneer de twee moleculen schuin direct naast elkaar zitten zoals in het figuur (8 manieren), - E = 3 ε, wanneer de twee moleculen horizontaal of verticaal direct naast elkaar zitten (12 manieren). P = kans dat de twee moleculen niet direct naast elkaar zitten, P 1 = kans dat de twee moleculen schuin direct naast elkaar zitten, P 2 = kans dat de twee moleculen horizontaal of verticaal direct naast elkaar zitten. c. Bepaal voor dit systeem een formule in termen van ε voor de toestandssom Z. d. Bepaal voor dit systeem een formule in termen van ε voor de temperatuur T waarvoor geldt dat P 1 =P 2. e. Neem ε=.1 ev en bereken P, P 1 en P 2 in drie decimalen nauwkeurig. [k B = 1.38 1 23 J/K; 1 ev = 1.6 1 19 J; T =298 K]. f. Neem weer ε=.1 ev en bereken in drie decimalen nauwkeurig de kans dat de twee moleculen in de toestand zitten die is weergegeven in het figuur (P figuur ). g. Neem weer ε =.1 ev en bereken nu ook de gemiddelde energie, Ē, van het systeem in drie decimalen nauwkeurig. h. Zonder de berekening expliciet uit te voeren, wat verwacht je dat de gemiddelde energie, Ē, is bij hele hoge temperaturen?

Vraag 3. Tweede viriaalcoëfficiënt Op het college is de volgende formule afgeleid voor de tweede viriaalcoëfficiënt in termen van de interactiepotentiaal: B(T ) = 2π dr r 2 [ 1 e U(r)/k BT ]. We zullen de interactiepotentiaal opsplitsen in een attractief en een repulsief gedeelte: U(r) = U rep (r) + U att (r). a. Laat zien dat als U att (r) k B T, de tweede viriaalcoëfficiënt kan worden geschreven als de som van twee termen B(T )=B rep (T ) + B att (T ) waarbij: B rep (T ) = 2π B att (T ) = 2π dr r 2 [ 1 e Urep(r)/k BT ], dr r 2 U att(r) k B T e U rep(r)/k B T. We beschouwen een model waarin het attractieve en repulsieve gedeelte van de interactiepotentiaal tussen de moleculen wordt gegeven door de volgende uitdrukking: U rep (r) = { < r < d r > d U att (r) = { ε < r < α d r > α d b. Schets U rep (r) en U att (r) samen in één figuur (neem ε> en α>1). c. Bepaal voor deze potentiaal de tweede viriaalcoëfficiënt B(T ). d. Vergelijk de uitdrukking voor B(T ) gevonden in c. met de uitdrukking voor de tweede viriaalcoëfficiënt in een van der Waals vloeistof: B vdw = b a k B. Druk voor T dit model de van der Waals parameters a en b uit in d, ε en α.

Vraag 4. Toestandsvergelijking In het college zijn een aantal (modellen voor) toestandsvergelijkingen aan bod gekomen. Drie voorbeelden: 1 : p = k B T 1/ρ b a ρ2, 2 : p = ρ k B T 2π 3 ρ2 dr r 3 U (r) g(r), 3 : p = ρ k B T + B(T ) k B T ρ 2 + C(T ) k B T ρ 3 +.... a. Voor toestandsvergelijking 1: - geef aan of deze exact is of een benadering - geef aan voor wat voor soort systemen deze geldig is (kies één uit het volgende rijtje: ideale gassen, verdunde gassen, vloeistoffen, gassen en vloeistoffen, vaste stoffen) - geef de dimensie van de parameters a en b - geef de fysische achtergrond van de parameters a en b b. Voor toestandsvergelijking 2: - geef aan of deze exact is of een benadering - geef aan voor wat voor soort systemen deze geldig is (kies één uit het volgende rijtje: ideale gassen, verdunde gassen, vloeistoffen, gassen en vloeistoffen, vaste stoffen) - geef de definitie van de functie g(r) c. Voor toestandsvergelijking 3: - geef aan of deze exact is of een benadering - geef aan voor wat voor soort systemen deze geldig is (kies één uit het volgende rijtje: ideale gassen, verdunde gassen, vloeistoffen, gassen en vloeistoffen, vaste stoffen) - geef de dimensie van de functie B(T ) - schets in een figuur hoe B(T ) in het algemeen afhangt van 1/T

Vraag 5. Eiwitmoleculen in oplossing In het algemeen is de differentiaalvorm voor de Helmholtz vrije energie gegeven door: df = S dt p dv + µ dn. We beschouwen nu een bepaald theoretisch model voor N eiwitmoleculen opgelost in water waarvoor de Helmholtz vrije energie van de eiwitmoleculen wordt gegeven door de volgende uitdrukking: ( ) F eiwit N k B T = N ln v V 2 N N + B eiwit + 1 V 2 C N 3 eiwit V. 2 Hierbij is v het volume van het eiwitmolecuul en is onafhankelijk van T en de eiwitconcentratie. De constantes B eiwit en C eiwit hangen ook niet af van de eiwitconcentratie maar nog wel van de temperatuur. a. Bepaal de osmotische druk Π eiwit voor bovenstaand theoretische model (schrijf het antwoord in termen van de eiwitconcentratie ρ = N/V ). b. Kun je op grond van het antwoord gevonden onder a. iets zeggen over de aannames gemaakt in het theoretisch model en de fysische achtergrond van de verschillende termen in bovenstaande vrije energie? c. Bepaal de chemische potentiaal µ eiwit voor bovenstaand theoretische model (schrijf het antwoord weer in termen van de eiwitconcentratie ρ = N/V ). Vraag 6. Electrostatische interactie De electrostatische potentiaal φ(z) als functie van de afstand z voor een vlakke geladen plaat in een waterige zout-oplossing met dielectrische constante ε, wordt gegeven door: φ(z) = 4π σ ε κ e κ z. Hierbij is de Debije-lengte gegeven door de volgende uitdrukking: ( ) 1/2 1 κ = ε k B T κ 1 = 4π i ρ. i (z i e) 2 De sommatie is over alle zoutionen met valentie z i en bulk concentratie ρ i. a. Bereken de waarde van κ 1 voor.1 M driewaardig zout. [k B = 1.38 1 23 J/K; T =298 K; ε= 8.9 1 9 C 2 /(J m); e= 1.6 1 19 C; N A = 6.2 1 23 mol 1 ]. b. Uit de formule voor κ 1 halen we dat κ 1 afneemt als de hoeveelheid toegevoegd zout toeneemt. Geef een fysische interpretatie

Vraag 7. Osmotische druk in een polymeeroplossing In het figuur hieronder zijn metingen weergegeven van de (gereduceerde) osmotische druk, Π/(k B T c p ), als functie van c p voor drie verschillende temperaturen (doorgetrokken lijnen): Π k BTcp 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.9.8 T = 4 C T = 35 C T = 3 C.7 1 2 3 4 5 o o o c p a. Leg uit waarom de drie doorgetrokken curves de waarde 1 benaderen wanneer c p? b. Aan welke grootheid zijn de drie onderbroken curves gerelateerd? De tweede viriaalcoëfficiënt in een polymeeroplossing wordt gegeven door: B p (T, N) = 1 2 v N 2. c. Wat kun je zeggen over de grootheid v in bovenstaande formule voor: (i) een goed oplosmidddel, (ii) in een slecht oplosmiddel, (iii) in een Θ-oplosmiddel? d. Wat is (ongeveer) de waarde van de Θ-temperatuur voor de polymeeroplossing waarvan de gereduceerde osmotische druk is weergegeven in bovenstaand figuur? Licht je antwoord toe. De Flory-straal van een polymeer wordt gegeven door R F = b N 3/5. e. Geef aan wat de parameters b en N betekenen en of deze formule geldt voor een goed oplosmiddel, slecht oplosmiddel, of Θ-oplosmiddel. f. Hoe is de Flory-straal R F gedefiniëerd? Leg je antwoord uit aan de hand van een schets van de polymeerketen.

Vraag 8. Surfactantadsorptie De Gibbs adsorptievergelijking is gegeven door: ( ) σ = k B T Γ. ln(ρ s ) T Op de website van Krüss GmbH is onderstaand figuur te vinden over het bepalen van de cmc voor surfactant oplossingen. De oppervlaktespanning is gegeven in 1 3 N/m en de surfactant concentratie is gegeven in 1 3 gram / liter op een logarithmische ( 1 log) schaal. Uit de figuur lezen we af dat als de concentratie gelijk is aan.1 mg/l de oppervlaktespanning gelijk is aan 73 mn/m, dat de cmc gelijk is aan 3 mg/l en dat de oppervlaktespanning voorbij de cmc gelijk blijft en gelijk is aan 48 mn/m. a. De pictogrammen in het figuur schetsen de verdeling van de surfactanten in de oplossing. Natuurlijk moeten deze schetsen niet te letterlijk worden genomen maar toch wordt er een enorme conceptuele blunder in gemaakt. Kun je aangeven welke dat is? b. Bepaal op twee decimalen nauwkeurig de surfactantadsorptie van het verzadigde oppervlak. [ln(x) = ln(1) 1 log(x); T =298 K]. c. Bepaal uit het antwoord gevonden onder b. de gemiddelde afstand tussen twee naburige surfactantmoleculen op het verzadigde oppervlak. d. We meten nu de waarde van de cmc als functie van de temperatuur. Als je de logarithme van de cmc uitzet als functie van 1/(k B T ) blijkt er een rechte lijn uit te komen. Leg uit waarom je verwacht dat de helling hiervan negatief is. e. Wat is (ongeveer) de waarde van de surfactantadsorptie bij de hoogste surfactant concentraties? Licht je antwoord toe en bespreek de rol van bovenstaande formule.