Emnerapport. Dato: Emnekode og -tittel: TKP4175 Termodynamiske metoder. Program emnet inngår i: MTKJ

Transkript

1 Emnerapport Dato: Emnekode og -tittel: TKP4175 Termodynamiske metoder Program emnet inngår i: MTKJ Emnets læringsutbyttebeskrivelse (læringsmål): - Vite om den historiske utviklingen av termodynamikkens første og andre lov. - Se betydningen av termodynamisk metodelære i undervisning, industri og forskning. - Skjønne grenseoppgangen mellom termodynamiske tilstandsbeskrivelser og transport- eller strømningsprosesser. - Forstå fasebegrepet anvendt på gass, væske og faste faser. - Initiere, vurdere og lede et termodynamisk modelleringsarbeid i industri eller forskning. - Anvende de tretten (13) mest vanlige termodynamiske tilstandsvariablene: indre energi, entalpi, Gibbs energi, Helmholtz energi, entropi, volum, moltall, temperatur, trykk, kjemisk potensial, varmekapasitet, ekspansivitet og kompressibilitet på relevante problemstillinger. - Utlede totalt differensial for en vilkårlig termodynamisk funksjon. - Beregne enkle likevekter og tilstandsendringer basert på en egnet termodynamisk tilstandsmodell. - Transformere energirelaterte problemer fra en energifunksjon til en annen ved bruk av Legendre-transformasjon. - Avgjøre Euler-egenskapene (skaleringsegenskapene) til termodynamiske tilstandsvariable. - Utlede totalt differensial for en vilkårlig termodynamisk funksjon med vilkårlige fri variable. - Utlede masse- og energibalanser for et lukket eller åpent kontrollvolum med en eller flere kjemiske komponenter. - Utlede og linearisere invertible likningssystemer for løsning av simultane reaksjonslikevekter og faselikevekter basert på enten Gibbs energi eller Helholtz energi minimalisering. - Utlede samtlige syv (7) Legendre-trransformasjoner av indre energi - Beregne indre energi, entalpi, entropi, varmekapasitet og kjemisk potensial for ideelle gassblandinger ved gitt temperatur, trykk (eller volum) og sammensetning basert på tabellerte standardtilstander og enkle temperaturfunksjoner for varmekapasiteten av hver komponent. - Beregne kjemisk likevekt for en (1) reaksjon i ideell gassfase ved gitt temperatur, trykk (eller volum) og sammensetning. - Beregne uavhengige reaksjoner i en multikomponent blanding ved bruk av matrisemetoder. - Beregne tilstandsendringer for enkle prosessenheter som for eksempel ventiler, kompressorer, blandepunkt og varmevekslere ved bruk av ideell gass, 2. viriallikning eller van der Waals likning. - Beregne virkninsgraden av Stirling-, Ericsson-, Brayton-, Carnot-, Otto- og Rankine-maskiner med ideel gass som arbeidsmedium. - Beregne eksergivirkningsgraden til stasjonære prosesser. Emnerapportens datagrunnlag: - Emnerapport for Referat fra referansegruppemøter våren 2016 gjengitt i teksten nedenfor - Resultat for eksamen 2016 som vist i vedlegg 1 Referansegruppens rapport om kvaliteten i emnet: - Ikke utarbeidet Datagrunnlag innhentet fra emnets enkeltstudenter (minimum hvert 3. år): - Se vedlegg 2 Emneansvarligs vurdering av kvaliteten i emnet: Studentene tilbys et fag på internasjonalt MSc-nivå. Verbal problembeskrivelse koblet til fysikalsk forståelse og videre til matematiske likninger anses som viktig. Dette fordrer ikke bare matematiske

2 ferdigheter og teoretisk innsikt, men også praktisk øving. Til dette benyttes tidligere eksamener fra perioden Disse har løsningsforslag på to språk (engelsk og norsk) og har tre nivåer av løsningsforslag (ingen, kort, og utførlig). I tillegg fins det et komplett sett av lysark som dekker pensumet på stikkordsform. Kvaliteten på dette materialet anses for å være på et høyt nivå. Handlingsplan: Prioritert tiltaksliste. Faglærer har eneansvar for at tiltakene gjennomføres: 1. Utarbeide en test i fysikalsk kjemi / termisk fysikk / prosessteknikk etter samme mal som den nåværende testen av forkunnskaper i matematikk. 2. Ferdigstille den reviderte utgaven av læreboken. REFERANSEGRUPPEMØTER Det ble avholdt to formelle møter med referansegruppen ( og ). Tilstede var foreleser og tre av studentene. Referatene er gjengitt nedenfor (sakset fra It slearning): Minutes of meeting ( ): Henrik, Håkon, Thomas, and myself had a quick chat about my lectures in thermodynamic methods (I stressed the importance of the word "methods" afterwards, during the lecture). There were three issues this time: 1. Do not simultaneously talk and write (on BB) 2. Provide a link to last year s evaluation report 3. Missing perspective on where the course is heading Comments from my side: 1. This is a key issue for all teachers. I will do my best avoiding such conflicts I hesitate very much on leaning towards "the broad perspective" on where the course is taking us. My experience is that if I explicitly assume prior knowledge there will only be a few of the students who are able to follow. The rest feel intimidated. It is also part of my experience that students may think they know something from before which turns out to be a misconception. The most extreme case is U = Q - W which for some reason still survives deep inside academia. It comes from "caloric theory" - which we now know is utterly wrong. Clinging to it means to disregard all the work done by Clausius, Helmholtz, Gibbs and the other founders of thermodynamics! That been said, I am more than willing to give a "guest lecture" on the bigger scope of thermodynamics, and how it fits into today's technology, engineering, and science. Give me a time slot and I will be at your service. It does not matter if it is Saturday, Sunday or midnight... Minutes of meeting ( ): Henrik, Håkon, Thomas and myself had a quick talk. No questions, no wishes, no nothing, so I assume everything is OK... Studentrepresentantene skrev ingen evalueringsrapport i dette faget. FAGEVALUERING I forbindelse med evalueringen fikk vi tilbakemelding fra 10 studenter (av totalt 45 oppmeldte) på hvert av spørsmålene. Oppsummeringen er gitt i vedlegg 2. Det generelle inntrykket er: 1. Øvingene fungerer tilfredsstillende (9 av 10) 2. Arbeidsmengden er større enn i andre fag (7 av 10) 3. Faget er vanskeligere enn andre fag (9 av 10) 4. Faget innfrir læringsmålene (7 av 10).

3 Én av kommentarene (fritekst) fortjener ekstra oppmerksomhet: For å forstå og kunne grunnprinsippene i faget må man arbeide langt mer enn i andre fag. Dette rører ved et sentralt tema: termodynamikk er vanskelig fordi det bygger på abstrakte grunnprinsipper mens anvendelsene på sin side er praktiske. EKSAMENSRESULTATET I likhet med foregående år ble det også i år gitt en oppgave med praktisk tilsnitt. Spørsmålet dreide seg om varme & arbeidet forbundet med : 1. Oppvarming av en vannstrøm fra 20 C til 100 C ved normalttrykk 1 bar. 2. Kompresjon av samme strøm fra 1 bar til 6000 bar ved normal (innløps)temperatur 20 C. Denne type problemstilling er kjent også fra andre fag og er i høyeste grad relevant for alle studenter ved IKP, men eksamensresultatet var allikevel svakt. Problemet er ikke selve tallbehandlingen, men det å kunne etablere en energibalanse fra first principles. Her svikter undervisningen vår idet vi ikke klarer å etablere gode nok prinsipper for praktisk oppgaveløsning. En ny oppgave blir ikke ny bare i praktisk henseende, men også med hensyn på valg av løsningsmetode. I fjorårets emnerapport skrev jeg at dette temaet ville bli tatt opp i studieprogramrådet og det står fortsatt ved lag, men det er ikke så lett å skulle sette fingeren på hvor tiltaket skal settes inn og hvilke tiltak som faktisk er gjennomførbare. GENERELT En av hovedutfordringene i TKP4175 er at studentene kommer fra mange ulike studiesteder. Dermed fins det ingen felles bakgrunn (enn si kultur) innen matematikk, numerikk, fysikk og fysikalsk kjemi. I tillegg er det slik at studentene i økende grad søker informasjon fra andre kanaler enn faglærer. Dette er ikke nødvendigvis noen svakhet, men eksamensbesvarelsene gir inntrykk av at mye av informasjonen sirkulerer blant studentene uten trygg forankring til naturvitenskaplige prinsipper. Dette gjelder spesielt begreper som har vært forelest gjentatte ganger tidligere som for eksempel: forståelsen av varme & arbeid, termodynamisk temperatur (mange bruker nå Celsius istedenfor Kelvin i regneoppgavene), integrasjon av logaritme- og eksponentialfunksjoner, osv. VEDLEGG 1. Årets eksamensresultater 2. Emneevaluering 2016

4 Nominal Corrected TKP4175 (spring 2016) A B C Score D E Students

5