Chemija · Pamoka

Elektroninės, optinės, porėtosios ir energetinės medžiagos

Susiekite elektrinį laidį, adsorbciją ir krūvio talpą su nurodyta geometrija, sąlygomis ir įrenginio ribomis.

Baigę pamoką, galėsite

Atskirti tūrinę varžą nuo nuosekliai prijungtų kontaktų indėlio.
Atskirti prieinamą porų tūrį nuo nurodyto pusiausvyrinio adsorbuoto kiekio.
Nurodyti ekvivalentinio dujų tūrio temperatūrą ir slėgį.
Paversti krūvio talpą energija pagal tinkamą įtampos apibrėžtį.

Funkcinė medžiaga turi apibrėžtą paskirtį ir bandymą

Elektroninės, optinės, porėtosios ir su energija susijusios medžiagos grupuojamos pagal galimas jų funkcijas. Apibrėžkite svarbų atsaką: pavyzdžiui, varžą esant tam tikrai geometrijai, praleistą šviesą tam tikrame bangos ilgyje, prieinamą adsorbcinę talpą ar sukauptą krūvį įtampos intervale.

Medžiagos rodiklis ir įrenginio rezultatas turi skirtingas ribas. Kontaktai, architektūra, pernaša, darbo sąlygos ir degradacija gali pakeisti medžiagos veikimą visame įrenginyje.

Geometrija ir adsorbcijos sąlygos keičia skirtingus atsakus

Nurodytam vienalyčiam ominiam laidininkui esant pastoviai temperatūrai pasirinkite savitąją varžą ρ=0.0200 Ω m, kelio ilgį L=4.00 mm ir skerspjūvį A=0.0800 mm². Perskaičiuokite L=0.00400 m ir A=8.00×10⁻⁸ m². Tūrinė varža R_bulk=ρL/A=1,000 Ω; pridėjus nekintantį nuosekliųjų kontaktų indėlį 150 Ω, bendra modelio varža yra 1,150 Ω. Savitasis elektrinis laidis σ=1/ρ=50.0 S m⁻¹.

Padvigubinus A, kai L, ρ ir kontaktai nekinta, tūrinė varža tampa 500 Ω, o bendroji 650 Ω, tačiau elektrinis laidis lieka 50.0 S m⁻¹. Taigi varžos pokytį gali lemti geometrija, net kai nurodyta vidinė medžiagos savybė nekinta. Šis modelis neapima nevienalytiškumo ir neominės elgsenos.

Atskiram porėtosios medžiagos modeliui nurodykite geometrinį porų tūrį 0.600 cm³ g⁻¹ ir prieinamą dalį 0.700, todėl prieinamas geometrinis tūris yra 0.420 cm³ g⁻¹. Nepriklausomai nurodykite vienos cheminės formos pusiausvyrinę adsorbciją q=q_maxbp/(1+bp), kai q_max=2.40 mmol g⁻¹ ir b=0.500 bar⁻¹. Dujos yra neutrali simbolinė Q; neteigiama jokia molinė masė ar sandara.

Kai p=0.800 bar, bp=0.400 ir q=0.685714286 mmol g⁻¹. Tuomet pagal šį modelį 0.250 g bandinyje yra 0.171428571 mmol adsorbuotos Q. Padidinus p iki 2.00 bar, gaunama q=1.20 mmol g⁻¹ ir kiekis 0.300 mmol. Vien porų tūris nesuteikė nurodytos adsorbcinės talpos ar koeficiento, o pusiausvyrinis adsorbuotas kiekis nenustato adsorbcijos greičio.

Vidinės savybės ryšiui reikia tikrosios geometrijos

Nurodytam vienalyčiam laidžiam bandiniui varža susieja savitąją varžą su kelio ilgiu ir skerspjūvio plotu. Padvigubinus ilgį ar pakeitus plotą, išmatuota varža pakinta, nors nurodyta savitoji varža nesikeičia. Kontaktinei varžai ar nevienalytei struktūrai reikia išsamesnio modelio.

Panašiai išmatuotas optinis signalas priklauso nuo kelio ilgio, bangos ilgio ir šviesos surinkimo ar praleidimo geometrijos. Draustinės juostos plotis ar absorbcijos požymis pats savaime nepatvirtina įrenginio efektyvumo ar visos medžiagos optinės elgsenos.

Pateikiamam tūriui ir energijai reikia atskirų sąlygų

Nurodykite neutralaus H₂ adsorbuotą kiekį 1.50 mmol g⁻¹ 0.800 g adsorbento, todėl n=0.00120 mol. Tik rezultatui pateikti naudokite idealiųjų dujų atskaitą esant T=273.15 K ir p=1.00 bar=100,000 Pa. Kai molinė dujų konstanta R=8.31446261815324 J mol⁻¹ K⁻¹, V=nRT/p=27.2531456 mL. Tai ekvivalentinis atskaitos dujų tūris, o ne tikrasis kaupimo porose tūris.

Kai nurodyta H₂ molinė masė 2.016 g mol⁻¹, dujų masė yra 0.00241920 g, arba 0.302400% adsorbento masės. Esant tam pačiam kiekiui, bet atskaitos T=298.15 K / p=1.00 bar, idealusis ekvivalentinis tūris tampa 29.7474844 mL. Pakeitus rezultatų pateikimo temperatūrą, pakinta ekvivalentinis tūris, o ne nurodytas adsorbuotas kiekis. Čia slėgis yra vienas baras, o ne viena atmosfera.

Kitam nurodytam įrenginio iškrovimo ribų atvejui naudokite savitąją krūvio talpą 150 mAh g⁻¹ ir aktyviąją masę 0.0200 g, todėl talpa yra 3.00 mAh. Kadangi 1 mAh=3.60 C, krūvis Q=10.8 C. Nurodykite pagal krūvį svertinę vidutinę iškrovimo įtampą 2.80 V, apibrėžtą taip, kad E=∫VdQ=V_meanQ. Energija yra 30.24 J=0.00840 Wh.

Faraday konstanta F=96485.33212331 C mol⁻¹ susieja šį krūvį su 0.000111934112 mol elektronų ekvivalentų. Šis kiekis neidentifikuoja elektrodo reakcijos. Esant vidutinei įtampai 3.50 V ir nepakitusiam Q, energija padidėja iki 37.8 J, o krūvio talpa išlieka 3.00 mAh. Aktyviosios masės talpa savaime nėra viso įrenginio energijos tankis, ciklinio naudojimo trukmė ar išmatuota cheminė sistema.

Medžiagos savybė, talpa ir įrenginio atsakas naudoja skirtingus dydžius

Nurodytas modelis	Patikrintas rezultatas	Būtina sąlyga	Kitas dydis
Vienalytis laidininkas+kontaktai	R_total=1,150 Ω; σ=50.0 S m⁻¹	L=4.00 mm; A=0.0800 mm²; 150 Ω kontaktai	Elektrinis laidis nėra bendroji varža
Vienos cheminės formos adsorbcija esant 0.800 bar	q=0.685714286 mmol g⁻¹	Nepriklausomi q_max/b, pusiausvyra	Porų tūris 0.420 cm³ g⁻¹ nėra adsorbuotas kiekis
H₂ kiekis 0.00120 mol	Ekvivalentinis tūris 27.2531456 mL	273.15 K / 1.00 bar idealioji atskaita	Atskaitos dujų tūris nėra porų tūris
3.00 mAh nurodytame įtampos intervale	Q=10.8 C; E=30.24 J	Pagal krūvį svertinis vidurkis 2.80 V	Krūvio talpa nėra energija

Originalus keturių nurodytų laidininko, porėtosios medžiagos, dujų rezultatų pateikimo ir iškrovimo modelių palyginimas. Kiekvienas rezultatas susietas su nurodyta geometrija ar ribomis; nė vienas nepatvirtina tikros medžiagos ar įrenginio savybių.

Porų tūris ir naudojamoji talpa yra skirtingi dydžiai

Porėta struktūra gali suteikti vidines sritis adsorbcijai ar pernašai. Prieinamumas priklauso nuo porų dydžio, jungčių, paviršiaus chemijos ir įeinančių cheminių formų. Bendras geometrinis porų tūris savaime nesuteikia prieinamo molekulių kiekio.

Nurodyta adsorbcijos funkcija gali susieti adsorbuotą kiekį su slėgiu ar koncentracija savo apibrėžtame intervale. Konkuruojančios cheminės formos, neidealios sąveikos ir nevienalytės vietos gali pakeisti šį ryšį. Pusiausvyrinę talpą ir adsorbcijos kinetiką naudokite kaip atskirus aprašymus.

Naudingai energetinei medžiagai reikia daugiau nei pradinės talpos

Krūvio talpa, įtampa ir energija turi skirtingus vienetus ir ryšius. Geba veikti esant skirtingiems greičiams, ciklinio naudojimo trukmė ir efektyvumas aprašo papildomus veiksmingumo aspektus. Lyginkite rezultatus pagal bendrą kiekio ar masės pagrindą ir tas pačias darbo ribas.

Vien didesnė pradinė talpa nelemia naudojimo trukmės, kainos ar gyvavimo ciklo poveikio. Šie originalūs modeliai iliustruoja vienetų ir ribų pasirinkimus; jie neidentifikuoja komercinio produkto ir nepatvirtina įrenginio veiksmingumo.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Įtraukite kontaktų indėlį

Naudokite ρ=0.0200 Ω m, L=4.00 mm, A=0.0800 mm² ir kontaktų varžą 150 Ω.

R_bulk=0.0200×0.00400/(8.00×10⁻⁸)=1,000 Ω.
Bendra modelio R=1,150 Ω.
Savitasis σ=1/ρ=50.0 S m⁻¹.

Geometrija ir kontaktai prisideda prie išmatuotos varžos.

Atskirkite geometrinį tūrį ir adsorbuotą kiekį

Naudokite prieinamą tūrio dalį 0.700 iš 0.600 cm³ g⁻¹ ir nepriklausomai nurodytus q_max=2.40 mmol g⁻¹ / b=0.500 bar⁻¹ esant 0.800 bar.

Prieinamas geometrinis tūris=0.420 cm³ g⁻¹.
Nurodytas q=2.40×0.400/(1.400)=0.685714286 mmol g⁻¹.
Kai masė 0.250 g, kiekis=0.171428571 mmol.

Talpa nustatoma pagal nurodytą pusiausvyros funkciją, o ne vien geometrinį tūrį.

Nurodykite atskaitos dujų sąlygas

Naudokite H₂ kiekį 0.00120 mol esant idealiajai atskaitai 273.15 K / 1.00 bar.

V=nRT/p=27.2531456 mL.
Nurodyta dujų masė=0.00241920 g.
0.800 g adsorbento atžvilgiu masės procentas=0.302400%.

Ekvivalentinis dujų tūris neaprašo tikrojo kaupimo porose esant aukštam slėgiui.

Prieš skaičiuodami energiją, perskaičiuokite krūvį

Naudokite 150 mAh g⁻¹ × 0.0200 g ir pagal krūvį svertinį vidurkį 2.80 V.

Talpa=3.00 mAh=10.8 C.
E=2.80×10.8=30.24 J.
Padalijus iš 3,600 gaunama 0.00840 Wh.

Vidutinės įtampos apibrėžtos ribos leidžia nustatyti energiją, o vien mAh aprašo krūvį.

Pabandykite patys

Padvigubinkite laidininko plotą, esant tai pačiai savitajai varžai, ilgiui ir nuosekliesiems kontaktams. Raskite tūrinę bei bendrąją varžą ir elektrinį laidį.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Tūrinė 500 Ω; bendroji 650 Ω; elektrinis laidis 50.0 S m⁻¹ nekinta.
Tūrinis dėmuo sumažėja perpus, o kontaktų indėlis išlieka 150 Ω.
Padidinkite dujų slėgį iki 2.00 bar, esant tiems patiems nurodytiems adsorbcijos parametrams ir 0.250 g masei. Raskite q ir kiekį. Ar vien porų tūris juos nustato?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
q=1.20 mmol g⁻¹; kiekis 0.300 mmol. Vien porų tūris jų nenustato.
bp=1, todėl nurodyta Langmuir funkcija duoda pusę jos q_max.
Pateikite tą patį H₂ kiekį esant 298.15 K / 1.00 bar pagal idealųjį atskaitos modelį. Raskite tūrį ir nustatykite, ar adsorbuotas kiekis pasikeičia.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ekvivalentinis tūris 29.7474844 mL; kiekis išlieka 0.00120 mol, o adsorbuotas kiekis nekinta.
V kinta proporcingai atskaitos T esant pastoviam n/p. Tikrasis porų tūris nenustatytas.
Palikite tą pačią talpą ir aktyviąją masę, tačiau naudokite pagal krūvį svertinę vidutinę iškrovimo įtampą 3.50 V. Raskite krūvį ir energiją.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Q=10.8 C; E=37.8 J=0.0105 Wh; krūvio talpa išlieka 3.00 mAh.
Nurodyta vidutinė įtampa pakeičia energiją, o krūvio kiekis išlieka pastovus.

Ką verta įsidėmėti

Kontaktai ir geometrija, kaip ir tūrinės savybės, veikia išmatuotą varžą.
Adsorbuotas kiekis priklauso nuo nurodyto prieinamo intervalo ir modelio.
Atskaitos dujų tūris yra to paties kiekio perskaičiavimo konvencija.
Krūvis, energija ir rezultatui pateikti pasirinkta masė yra atskiri veiksmingumo dydžiai.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.