SubjectsSubjects(version: 898)
Course, academic year 2021/2022
  
Transport phenomena in micro-world - M409025
Title: Transportní procesy v mikrosvětě
Guaranteed by: Department of Chemical Engineering (409)
Actual: from 2020
Semester: winter
Points: winter s.:6
E-Credits: winter s.:6
Examination process: winter s.:
Hours per week, examination: winter s.:3/2 C+Ex [hours/week]
Capacity: unlimited / unlimited (unknown)
Min. number of students: unlimited
Language: Czech
Teaching methods: full-time
Level:  
For type:  
Note: course can be enrolled in outside the study plan
enabled for web enrollment
Guarantor: Kosek Juraj prof. Dr. Ing.
Interchangeability : N409083
Annotation - Czech
Last update: Kosek Juraj prof. Dr. Ing. (27.02.2018)
Cílem předmětu je pochopení podstaty transportních procesů a procesů utváření nano-/mikro-struktury v mikro-světě. Předmět vymezuje platnost konstitutivních rovnic platných v makro-světě a vysvětluje pokročilé koncepty transportu. Přednášky jsou rozděleny do čtyř bloků: (i) mikro-transport tepla, (ii) částicové systémy a transport hmoty, (iii) povrchové napětí a transport, (iv) utváření morfologie. Značný důraz je věnován cvičením (v MATLABu), kde jsou vždy dvě po sobě jdoucí cvičení organizována na stejné téma. Cílem cvičení je studenty seznámit s aplikací vybraných konceptů modelování na meso-měřítku, například: DEM (metoda diskrétních elementů), DPD (disipativní částicová dynamika), Lattice-Boltmann, Ray-Tracing techniky simulace transportu tepla, Cahn-Hilliardovy termodynamicky konzistentní modely, Brownian Dynamics, Stokesian Dynamics atd. Tyto pokročilé techniky jsou demonstrovány na jednoduchých příkladech (první ze dvojice cvičení) a poté studenty samostatně či pod dohledem pedagoga aplikovány na složitější problémy (na druhém ze dvojice cvičení). Cvičení tak nejsou opakováním modelování na úrovni kontinua a úroveň obtížnosti je nastavena tak, aby byl předmět zvládnutelný kýmkoliv a nejen specialisty na modelování.
Literature -
Last update: Jahoda Milan doc. Dr. Ing. (15.03.2018)

R: Chen G.: Nanoscale Energy Transport and Conversion, A parallel treatment of electrons, molecules, phonons, and photons. Oxford University Press (2005). ISBN 978-0-19-515942-4.

R: Larson R.G.: The Structure and Rheology of Complex Fluids. Oxford University Press (1999). ISBN 0-19-512197-X.

R: de Gennes P.-G., Brochard-Wyart F., Quere D.: Capillarity and Wetting Phenomena - Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Springer (2004). ISBN 978-0-387-00592-8.

Learning resources - Czech
Last update: Kosek Juraj prof. Dr. Ing. (16.02.2018)

Studijní opory ve formě PowerPointových prezentací k přednáškám, textů ke cvičením a vzorových počítačových programů jsou k dispozici.

Teaching methods - Czech
Last update: Kosek Juraj prof. Dr. Ing. (16.02.2018)

Přednášky tři hodiny týdně.

Praktická cvičení dvě hodiny týdně.

Requirements to the exam - Czech
Last update: Kosek Juraj prof. Dr. Ing. (16.02.2018)

Samostatné projekty na cvičeních.

Ústní zkouška se dvěma otázkami.

Syllabus - Czech
Last update: Jahoda Milan doc. Dr. Ing. (15.03.2018)

1. Transport tepla v mikrosvětě - molekuly, fonony, elektrony a fotony. Molekulární podstata difúze, sdílení hybnosti (viskozity), vedení tepla, tepelné kapacity. Vedení tepla v úzké štěrbině plynu - limitní intenzita tepelného toku (neplatnost Fourierova zákona).

2. Transport tepla v krystalických nekovech - 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 k Fickově difúzi. Střední kvadratická vzdálenost vs doba difúze. Grahamův zákon a efúze. 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. Silové interakce v částicových systémech ne-kontaktní a kontaktní, interakce mezi částicemi a s tekutinou. Kinetické modely pro stabilizované a nestabilizované disperze v režimu řízeném difúzí (DLCA, RLCA) a střihem (kvalitativně). Mikro-skopické mechanismy adhese.

7. Rheologie zředěných a koncentrovaných disperzí. Einstein (zředěné suspenze). Krieger-Dougherty (koncentrované suspenze). Power-law liquid. Shear thinning, shear thickening, tixotropie, visko-elasticita. Parametry ovlivňující viskozitu.

8. Molekulární podstata mezifázového napětí. Super-hydrofobní povrchy. Povrchové napětí v okrajových podmínkách pro Navier-Stokesovy rovnice. Škálování - Webrovo, kapilární a Marangoniho číslo. Laplaceova rovnice. Ostwaldovo zrání. Scale-up míchání pro zajištění požadované distribuce velikosti částic.

9. Smáčení. Youngův zákon, smáčecí úhly. Kapilární adheze. Jehla plovoucí na vodě. Hmyz chodící po vodě. Tvar statického menisku v široké a úzké trubici. Dynamika kapilární elevace a poklesu. Smáčení drsného povrchu (teorie Cassie, Wenzel, Fakir).

10. Marangoniho tok způsobený gradientem povrchového napětí. Rayleigh-Bénardova konvekce. Slzení vína ve sklenici. Marangoniho tok způsobený surfaktantem. Marangoniho konvekce v pěnách. 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. Hildebrandův a Hansenův parametr rozpustnosti. Výpočet binodály a spinodály. Cahn-Hilliardův model fázové separace, Ostwaldovo zrání.

12. Mikro-fázové utváření morfologie řízené kinetikou. Kinetika růstu krystalů a lamel. Růst fraktální struktury sněhové vločky. Gibbsova teorie nukleace. Kelvinova rovnice. Utváření tzv. meso-fáze (lipidové dvojvrstvy, želatina, kapalné krystaly, mikro-struktura polymerů). 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.

14. Rezerva.

Teaching methods
Activity Credits Hours
Účast na přednáškách 1,5 42
Práce na individuálním projektu 1,5 42
Příprava na zkoušku a její absolvování 2 56
Účast na seminářích 1 28
6 / 6 168 / 168
 
VŠCHT Praha