Termodinâmica

Objectivos

No final desta unidade curricular o estudante terá adquirido conhecimentos, aptidões e competências

- nos processos físicos e respectivas leis que ocorrem em sistemas termodinâmicos, aplicada à análise de problemas de transferência de calor, e de conversão de calor em trabalho ou vice-versa, em particular a) fenómenos de transferência de calor como a condução, a convecção e a radiação, e aquisição de competências para implementação de sistemas dissipadores ou isoladores do calor elementares,; b)  estudo de transições de fase:; c) comprensão de ciclos termodinâmicos com o objectivo do estudo de máquinas térmicas, frigorificas e de bombas de calor, que lhes permita calcular rendimentos ou eficiências em ciclos operando com gás ideal em processos reversíveis; d) entropia e sua produção em processos concretos ; e) potenciais termodinâmicos; f) verificação experimental em aulas de laboratótio de alguns dos procesos físicos anteriormente descritos, e aquisição de competências na elaboração de relatórios e na análise de resultados experimentais.

 

 

Caracterização geral

Código

10540

Créditos

6.0

Professor responsável

António Alberto Dias

Horas

Semanais - 6

Totais - 85

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

É recomendada a aprovação prévia nas disciplinas de

 "Análise Matemática I"

e

 "Mecânica".

Bibliografia

A: Engineering Thermodynamics; F. F. Huang

B: Fundamentals of Physics; Halliday/Resnick/Walker

C: Física (um curso universitário); Alonso e Finn ed. Brasileira, 1981, vol 1

D: Sebenta Fis II em Documentação de Apoio – Acetatos

E: Physics; Kane & Sternheim

F: Physics; Paul Tipler and Gene Mosca

Método de ensino

Informações gerais sobre o funcionamento da disciplina tais como regras, datas importantes, notas das avaliações e outras informações complementares estão disponíveis na página da disciplina no clip. Documentação necessária à realização das aulas práticas deverá ser consultada no no CLIP na pasta “Protocolos”. O programa, conteúdos programáticos das aulas e a bibliografia, estão disponíveis na página da disciplina no clip.  

A disciplina está dividida numa componente teórica e numa componente de laboratório. Os estudantes têm de ter sucesso escolar nas duas componentes.

As aulas teóricas decorrem em 2 sessões semanais de 1,5h e incluem resolução de problemas tipo. 

 As aulas práticas estão divididas em aulas de problemas e aulas laboratoriais. Nas primeiras são realizados alguns problemas das séries, bem como, em dois momentos de avaliação, dois problemas para nota. Nas aulas laboratoriais são realizados trabalhos experimentais com o objectivo de acompanhar e verificar fenómenos e processos físicos descritos nas aulas teóricas e a desenvolver competências na montagem de laboratório e na experimentação. Os alunos entregam 4 relatórios desses trabalhos.

Método de avaliação

A avaliação baseia-se em vários elementos de avaliação, compondo a componente teórica e a componente prática, descritas abaixo.


Componente Teórica
1. A avaliação da componente teórica é efectuada através de provas (testes ou exame).
2. No âmbito da avaliação contínua serão efectuados 2 testes ao longo do semestre, cuja classificação será arredondada às décimas.
3. A classificação da componente teórica (CT) é a média aritmética arredondada às unidades das classificações obtidas nos testes ou a classificação do exame final.
4. Os estudantes que obtenham uma classificação CT igual ou superior a 10 valores obtêm aprovação na componente teórica.


Componente Prática
1. As aulas práticas (laboratoriais e de problemas) terão início no dia 20 de setembro.
2. Na primeira aula prática serão: a) apresentadas em detalhe as regras de avaliação desta componente; b) constituídos os grupos de trabalho (2/3 estudantes por grupo); c) efectuada uma revisão sobre o tratamento de dados.
3. As aulas práticas serão dividas em aulas de laboratórios (AL) e aulas de problemas (AP).
4. As AL têm a duração de 3 horas, e funcionam em semanas alternadas, salvo situações pontuais.
5. Nas aulas de laboratório serão realizados 4 trabalhos de laboratório (TL).
6. A execução dos TL e respectivos relatórios R será classificada entre 0 e 20 valores. A ausência ou a não produção de relatório a qualquer TL corresponde a uma classificação nesse trabalho de zero valores.
7. A classificação da componente prática de laboratório (CPL) é a média aritmética arredondada às décimas das classificações obtidas nos TL.
8. As AP têm a duração de 3 horas, incluem avaliação da resolução de problemas.
9. Durante as AP serão discutidos e resolvidos problemas sobre a matéria leccionada nas aulas teóricas.
10. Os estudantes que obtenham uma classificação CPL superior ou igual a 10,0 valores estão admitidos a duas provas de problemas, cuja classificação média aritmética das duas provas arredondada às décimas (CPP) terá um peso de 30% na nota final da componente prática (CP). A ausência a qualquer destas provas corresponde a uma classificação de zero valores.
11. A classificação da componente prática (CP) é obtida pela seguinte expressão, com o resultado arredondado às unidades:
CP = 0,70xCPL + 0,30xCPP
12. Os estudantes que obtenham uma classificação CP igual ou superior a 10 valores obtêm aprovação na componente prática.


Frequência
1. Os estudantes aprovados na componente prática de laboratório obtêm frequência à unidade curricular.
2. A frequência obtida nos dois anos lectivos anteriores é válida no corrente ano lectivo. Consequentemente, os estudantes que tenham obtido frequência não se podem inscrever nos turnos práticos.
3. A lista dos estudantes que obtiveram frequência nos dois anos lectivos anteriores está no CLIP em "Documentação de Apoio > Outros > Frequencia_Anos_Anteriores.pdf".
4. Na eventualidade de não constar com frequência um estudante que tenha obtido frequência nos dois anos lectivos anteriores, esse estudante deverá enviar um email ao responsável da unidade curricular, até às 19h do dia 13 de Setembro (6ª feira), com o Assunto “Frequência obtida anteriormente”, o nome completo, o número actual (e o número anterior se for esse o caso), o ano em que obteve a frequência e uma cópia da pauta (que está no CLIP) onde conste a informação que obteve frequência.
5. A partir do dia 16 de Setembro, o documento de frequência anterior será definitivo.


Aprovação
1. Os estudantes aprovados simultaneamente nas componentes teórica e prática obtêm aprovação na unidade curricular.


Classificação Final dos Estudantes
1. A classificação final (CF) dos estudantes que obtiveram frequência no presente ano lectivo é o resultado da seguinte expressão aproximado às unidades:
CF = CT×0,6 + CP×0,4
A classificação final (CF) dos estudantes que obtiveram frequência num ano lectivo anterior é o resultado da seguinte expressão:
CF = CT
2. Os estudantes que na ponderação enumerada no nº 1 obtenham classificação final superior a 16 valores são admitidos a uma prova adicional (oral ou escrita).
3. Na prova adicional mencionada no número anterior, os estudantes podem subir ou descer a nota final com a garantia de classificação mínima de 16 valores.
4. A ausência à prova adicional referida no número anterior traduz a aceitação por parte do estudante da nota final de 16 valores.


Melhoria de Nota
1. Os estudantes que pretendam efectuar melhoria de nota devem cumprir, para esse efeito, as formalidades legais de inscrição.
2. Os estudantes que tenham obtido aprovação na Unidade Curricular (na componente laboratorial e na componente teórica) no corrente ano lectivo, ou no ano lectivo anterior, podem melhorar apenas a classificação da componente teórica.
3. Em qualquer dos dois casos referidos no número anterior, as classificações da outra componente de avaliação (CP) obtida quer no próprio ano, quer no ano anterior, contribuem da forma prevista para a nova classificação final em caso de melhoria efectiva.
4. A nova classificação final é obtida seguindo a fórmula referida acima.
5. Os estudantes que obtenham classificação final superior a 16 valores são admitidos a uma prova adicional (oral ou escrita).
6. Na prova adicional mencionada no número anterior, os estudantes podem subir ou descer a nota final com a garantia de classificação mínima de 16 valores.
7. A ausência à prova oral referida no número anterior traduz a aceitação por parte do estudante da nota final de 16 valores.
8. Nos restantes casos, não previstos nos números anteriores, o estudante não melhora a classificação.


Regras Adicionais – Conduta na Sala de Aula
Para que todos beneficiem da experiência de aprendizagem é exigido aos estudantes que respeitem as seguintes regras de conduta na sala de aula:
1. Pontualidade: Os estudantes deverão estar presentes na sala à hora de começo da aula. Os docentes impedirão a entrada dos estudantes que cheguem mais de 5 minutos atrasados;
2. Preparação das aulas e participação nas discussões: A participação activa exige que os estudantes preparem a matéria apresentada e discutida nas aulas, e que contribuam para as discussões;
3. Os telemóveis devem permanecer desligados e guardados até ao fim da aula. Os estudantes que utilizem o telemóvel serão automaticamente convidados a sair da aula;
4. A utilização de computadores portáteis e outros aparelhos electrónicos nas salas de aulas está sujeita à aprovação dos docentes.


Regras Adicionais – Testes e Exame
1. Cada teste incidirá essencialmente sobre toda a matéria leccionada nas aulas teóricas até à aula teórica anterior ao teste.
2. Apesar de a avaliação nos testes não ser cumulativa, e devido à natureza dos assuntos abordados nesta Unidade Curricular, não é excluído que um elemento de avaliação se socorra de conhecimentos respeitantes à matéria avaliada em elemento(s) anterior(es).
3. O horário e salas para os testes estão (estarão) no CLIP.
4. Os estudantes só poderão ter consigo durante a prova de avaliação:
a) Caneta/esferográfica;
b) Documento de identificação com fotografia;
c) Máquina de calcular científica, não programável e não gráfica.
5. Durante a realização das provas não é permitida a utilização de aparelhos electrónicos, tais como máquinas de calcular programáveis ou gráficas, e telemóveis (os quais devem estar desligados e não podem estar sobre as mesas onde é realizada a prova).
6. Não é permitido desagrafar as folhas dos cadernos com os enunciados e com as resoluções feitas pelos estudantes na prova.
7. A prova será anulada se não forem satisfeitos os nºs 4, 5 ou 6.
8. Os estudantes que cometam fraude numa prova de avaliação (Teste ou Exame) terão a referida prova anulada, estão automaticamente reprovados na unidade curricular no presente ano lectivo, e perdem a frequência caso já a tenham obtido em anos lectivos anteriores, o que implica que terão que obter frequência no ano lectivo seguinte.

 

Conteúdo

1. Energia
1.1 Revisões sobre a grandeza Energia
1.2 Energia Interna

2. Teoria Cinética dos Gases
2.1 Pressão, Temperatura
2.2 Equipartição de Energia; Distribuição de Maxwell Boltzmann
2.3 Livre Percurso Médio, Difusão, Pressão Osmótica.

3. Conceitos fundamentais da Termodinâmica
3.1 Sistema termodinâmico
3.2 Propriedades termodinâmicas
3.3 Processos termodinâmicos

4. Pressão e Temperatura
4.1 Pressão: barométrica, manométrica, absoluta
4.2 Equilíbrio térmico. Lei zero da Termodinâmica.
4.3 Propriedades termométricas
4.4 Escalas de temperatura

5. Equações de Estado
5.1 Equação de Estado e superfície P-V-T
5.2 Equação de estado de um gás ideal 
5.3 Equação de estado de um gás real
5.4 Expansibilidade e Compressibilidade

6. Primeira Lei da Termodinâmica
6.1 Trabalho
6.2 Calor
6.3 Conservação de energia _ Primeira Lei da Termodinâmica
6.4 Capacidade calorífica e calor específico
6.5 Entalpia
6.6 Equações de energia interna
6.7 Processos adiabáticos 

7. Transferência de calor
7.1 Condução
7.2 Convecção
7.3 Radiação

8. Segunda Lei da Termodinâmica
8.1 Segunda Lei – Enunciados de Kelvin e de Clausius
8.2 Teorema de Carnot; Temperatura termodinâmica
8.3 Entropia
8.4 Processos reversíveis e irreversíveis; Desigualdade de Clausius
8.5 Visão microscópica de Entropia

9. Primeira + Segunda Leis da Termodinâmica
9.1 Equações TdS; Exemplos de Aplicação
9.2 Diagramas TS

10. Transformações de fase
10.1 Diferentes estados físicos da matéria
10.2 Diagramas PV das transformações de fase
10.3 Diagramas TS das transformações de fase


11. Máquinas térmicas, máquinas frigoríficas e bombas de calor.
11.1 Diagrama de fluxo de energia numa máquina térmica. Rendimento
11.2 Motores de combustão externa – Ciclo de Stirling e máquina a vapor
11.3 Motores de combustão interna – Ciclo de Otto 
11.4 Diagrama de fluxo de energia de um refrigerador. Eficiência
11.5 Diagrama de fluxo de energia de uma bomba de calor. Eficiência 

12. Terceira Lei da Termodinâmica e Potenciais Termodinâmicos
13.1 Enunciado da Terceira Lei da Termodinâmica
13.2 Consequências da Terceira Lei
13.3 Potenciais Termodinâmicos; Evolução dos sistemas para o equilíbrio

13. Sistemas Abertos
14.1 Modificação das equações
14.2 Potencial químico
14.3 Transições de fase. 
14.4 Equação de Clausius-Clapeyron
14.5 Visão termodinâmica da difusão.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: