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 - 7

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. 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

Preâmbulo
As aulas de Termodinâmica terão os seguintes componentes (com a carga letiva semanal indicada):
# TO Teórico Online – 1,5 h + 1,5 h;
# P Prática – presencial – 1,5 h (3 h no laboratório 104-I, em semanas alternadas);
# PO Prática online – 1,5 h.

Componente Teórica Online (TO)
1. A avaliação da componente teórica é efetuada através de testes ou exame. Este provas são presenciais.
2. No âmbito da avaliação contínua haverá 2 testes, cada um com classificação 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 (P)
1. As aulas de laboratório são obrigatórias, de quinze em quinze dias, e incluem a produção de mini-relatório.
2. Nas aulas de laboratório serão realizados 5 trabalhos de laboratório.
3. A execução de cada trabalho prático e respetivo mini-relatórios MR, produzido em grupo, será classificada entre 0 e 14 valores. A ausência à aula ou a não entrega de relatório é classificada com zero valores. Os alunos que obtenham uma nota média nos MR, arredondas às unidades, superior ou igual a dez valores obtém aprovação na componente prática.
4. Adicionalmente, os estudantes são desafiados a criar uma nova experiência de Termodinâmica; desenvolver o protocolo; folha de registo e propor um mini-relatório. Este trabalho será classificado de 0 a 6 valores.
5. A classificação da componente prática CP, arredondada às unidades, é a média aritmética das classificações obtidas nos MR mais a classificação obtida na experiência nova experiência proposta.

Componente Prática Online - PO
1. As aulas práticas online são obrigatórias para alunos sem frequência.
2. Nestas aulas serão discutidos e resolvidos problemas.
3. A série de problemas e os exercícios propostos para todas as sessões será divulgado no Clip no início do semestre.
4. Será definida e publicada, no início do semestre, uma lista de estudantes interlocutores por aula. Aos interlocutores definidos para cada aula será solicitada participação, pelo que se sugere que experimentem resolver previamente os problemas propostos.
5. Ao longo do semestre serão proposto exercícios para resolução individual, classificados de 0 a 20 valores; componente da nota final CPO.

Frequência
1. Os estudantes que participem, em pelo menos, 2/3 das aulas práticas online, PO, e obtenham aprovação na componente prática, P, obtêm frequência nesta unidade curricular.
2. A frequência obtida nos dois anos letivos anteriores é válida no corrente ano letivo. Os alunos com frequência não se podem inscrever nos turnos práticos.
3. A lista dos estudantes que obtiveram frequência nos dois anos letivos anteriores estará no CLIP em "Documentação de Apoio> Outros, logo que termine o período de inscrição nas Unidades Curriculares.

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

Classificação Final
1. A classificação final (CF) dos estudantes é o resultado da seguinte expressão aproximado às unidades:
CF = CT×0,6 + CP×0,3 + CPO×0,1
2. Os estudantes que obtenham classificação final superior a 16 valores são admitidos a uma prova adicional (ex:oral).
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 efetuar melhoria de nota devem cumprir, para esse efeito, as formalidades legais de inscrição.
2. Os estudantes que obtenham classificação final, por melhoria, superior a 16 valores ficam sujeitos às condições descritas nos pontos 2, 3 e 4 da classificação Final.

Regras Adicionais
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 aula 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 ativa 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 eletrónicos nas salas de aulas está sujeita à aprovação dos docentes.

Regras Adicionais – Testes e Exame
1. Cada teste incidirá essencialmente sobre toda a matéria lecionada nas aulas teórico até à aula 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 onde se realiza a prova de avaliação estarão publicados 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 permitido a consulta de quaisquer elementos pessoais ou de outrem, para lá do formulário distribuído com a prova.
6. Não é permitido desagrafar as folhas dos cadernos com os enunciados.
7. A prova será anulada se não forem satisfeitos os n.ºs 4, 5 ou 6.
8. Situações de fraude, em qualquer momento de avaliação, serão tratadas como indicado no regulamento de avaliação de conhecimentos desta Faculdade.

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
3.1 Sistema termodinâmico
3.2 Propriedades termodinâmicas
3.3 Processos termodinâmicos

4. Propriedades e equação de estado
4.1 Pressão: barométrica, manométrica, absoluta
4.2 Equilíbrio térmico. Lei zero da Termodinâmica.
4.3 Propriedades termométricas
4.4 Escalas de temperatura
4.5 Equação de Estado e superfície P-V-T
4.6 Equação de estado de um gás ideal
4.7 Equação de estado de um gás real
4.8 Transformações físicas (transições de fase). Diagrama PV
4.9 Expansibilidade e Compressibilidade

5. Calor e Trabalho
5.1 Capacidade calorífica e calor específico
5.2 Calor em vários processos
5.3 Trabalho
5.4 Trabalho em vários processo
5.5 Experiência de Joule

6. Primeira Lei
6.1 Conservação de energia
6.2 Entalpia
6.3 Equações de energia interna
6.4 Processos adiabáticos

7. Transferência de calor
7.1 Condução
7.2 Convecção
7.3 Radiação

8. Segunda Lei
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
9.1 Equações TdS; Exemplos de Aplicação
9.2 Diagramas TS

10. Diagramas HS
10.1 Introdução
10.2 Diagramas HS e aplicações

11. Máquinas térmicas, máquinas frigoríficas e bombas de calor.
11.1 Diagrama de fluxo de energia de máquinas térmicas. Rendimento
11.2 Diversas máquinas térmicas; funcionamento do ciclo termodinâmico e aplicações
11.3 Diagrama de fluxo de energia de um refrigerador. Eficiência
11.4 Diagrama de fluxo de energia de uma bomba de calor. Eficiência

12. Terceira Lei
12.1 Enunciado da Terceira Lei
12.2 Consequências da Terceira Lei

13. Potenciais termodinâmicos e relações de Maxwell
13.1 Potenciais Termodinâmicos;
13.2 Evolução dos sistemas para o equilíbrio
13.3 Relações de Maxwell

14. 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: