Termodinâmica B

Objectivos

Conhecimento: Aprendizagem dos conceitos de Teoria Cinética, Fluidos e Termodinâmica; Aprendizagem de terminologia em Física correcta; Introdução à metrologia (medida, tratamento de resultados); Familiarização com instrumentação.

Competências Transversais: Desenvolvimento do Raciocínio Científico; Treino da técnica de análise e resolução de problemas; Ligação a conceitos e instrumentos de outras disciplinas com especial incidência em Matemática.

Caracterização geral

Código

11821

Créditos

6.0

Professor responsável

José Paulo Moreira dos Santos, Valentina Borissovna Vassilenko

Horas

Semanais - 5

Totais - 66

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

É recomendada a aprovação prévia nas disciplinas de  Análise Matemática I  e  Introdução à Biofísica

Bibliografia

A: Fundamentals of Physics; Halliday/Resnick/Walker

B: Biological Thermodynamics; Donald T. Haynie, 2nd Ed.

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

D: The Principles of Thermodynamics; N. Hari Dass, CRC Press 2014

E: Physics; Paul Tipler and Gene Mosca

Método de ensino

A unidade curricular de Termodinâmica B está dividida nas seguintes componentes: Teórico (T); Teórico-Prático (TP) ; e numa componente prática (P). As aulas teórico, T,  têm a duração de 3 h semanais (1:30 h + 1:30 h) e as aulas TP, têm a duração 1 h semanal de duas em duas semanas. As aulas P, tem carga horária de 2 horas duas em duas semanas.

As aulas T servem para introduzir os estudantes no conteúdo estrutural da Termodinâmica como área fundamental. Nas aulas TP far-se-á a discussão e a resolução problemas de aplicação e dos conceitos expostos nas T. Nas aulas P, laboratoriais, são realizados trabalhos experimentais com o objectivo de acompanhar e verificar fenómenos e processos físicos descritos nas aulas teórico-práticas e desenvolver competências de experimentação e manuseamento de equipamentos.

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 CLIP na pasta “Protocolos”. O programa, conteúdos programáticos das aulas e a bibliografia, estão disponíveis na página da disciplina no CLIP.

Método de avaliação

As aulas de Termodinâmica B terão 3 componentes com a seguinte carga letiva semanal:

# T Teórico – 2,5 h

# TP Teórico-prática – 1 h (0,5 h de aulas em semanas alternadas)

# P Prática – 1 h (2 h de laboratório, em semanas alternadas); aulas presenciais, obrigatórias e exclusivas para estudantes sem frequência.Ver também “Método de Ensino”.

As aulas T e TP não são de presença obrigatórias, e decorrem online, mas requerem a inscrição no clip dos alunos que pretendam participar nessas aulas de forma ativa; os lugares disponíveis são limitados.

Os testes e exames estão previstos serem presenciais.

Componente Teórico

1. A avaliação da componente teórico é efectuada através de 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 T (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 teórico-prática.

Componente Teórico-Prática

 Esta componente não tem avaliação direta. 

Componente Prática

1. As aulas práticas (laboratoriais) terão início na 2ª semana de aulas, e destinam-se exclusivamente a alunos que nunca tenham obtido frequência a esta UC ou alunos que tenham perdido frequência (por a terem obtido há mais de dois anos).
2. Na primeira aula prática de cada turno serão: a) apresentadas em detalhe as regras de avaliação desta componente; b) confirmadas presencialmente as inscrições nos turnos; c) constituídos os grupos de trabalho (2 estudantes por grupo); d) efectuada uma revisão sobre o tratamento de dados; e) normas de funcionamento especiais no âmbito da presente situação de pandemia.
3. Os estudantes que não satisfaçam o nº 2.b poderão ter a sua inscrição no turno prático cancelada no CLIP.
4. Os alunos que tenham obtido frequência há mais de dois anos, deixam de ter frequência. Para se inscreverem nas aulas práticas devem contactar o docente responsável pelas aulas de laboratório por correio electrónico, indicado por ordem de preferências três turnos práticos. Conforme a disponibilidade, serão inscritos num turno.
5. No limite das vagas disponíveis, poderão ser aceites mudanças de turno durante a primeira semana de aulas práticas. Para tal, os estudantes deverão contactar o docente responsável pelas aulas de laboratório por correio electrónico.
6. Nas aulas de laboratório serão realizados 4 trabalhos de laboratório; durante os quais os estudantes serão avaliados pelo desempenho e pelo relatório produzido e entregue no final da aula. 
7. A classificação da componente prática CP é a média aritmética arredondada às décimas das classificações obtidas nos trabalhos de laboratório, cada uma delas arredondada às décimas. Um relatório em falta entrará na média com a classificação de 0 valores (ou seja, também não é considerado o desempenho). 
8. Os estudantes que obtenham uma classificação CP igual ou superior a 10 valores e que tenham dado faltas em número igual ou inferior a 1, obtêm aprovação na componente prática.

Frequência

1. Os estudantes aprovados na componente prática obtêm frequência à unidade curricular.
2. A frequência obtida nos dois último anos lectivos é válida no corrente ano lectivo.

3. As pautas com a indicação dos alunos com frequências obtidas em anos anteriores serão publicadas no início do semestre. É da responsabilidade do aluno verificar a sua situação.

Aprovação

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

Classificação Final dos Estudantes

1. A classificação final (CF) é o resultado da seguinte expressão aproximado às unidades:
           C= C× 0,7 + C× 0,3

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 efectuar melhoria de nota devem cumprir, para esse efeito, as formalidades legais de inscrição.
2. Os estudantes que tenham obtido aprovação na unidade curricular nos dois últimos anos letivos, 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), 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 (ex:oral), conforme descrito acima.
6. Nos restantes casos, não previstos nos números anteriores, o estudante não melhora a classificação.

 Regras Adicionais – Conduta na Sala de Aula

1. Para que todos beneficiem da experiência de aprendizagem é exigido aos estudantes que respeitem as seguintes regras de conduta na sala de aula:

a) 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;
b) 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;
c) Os telemóveis, durante as aulas de todas as componentes de Termodinãmica B, a menos que seja dada informação contrária pelo docente, devem permanecer desligados e guardados até ao fim da aula.
d) 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. Os testes realizam-se na data, horário e sala previamente anunciados 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 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 n.ºs 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.

Conteúdo

1. Introdução
1.1 Introdução à disciplina.
1.2 Revisões sobre conceitos matemáticos.

1.3 Energia: Formas de Energia; Conservação; 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. Temperatura
4.1 Equilíbrio térmico. Lei zero da Termodinâmica.
4.2 Propriedades termométricas
4.3 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 Transformações físicas (mudanças ou transições de fase)

6. Propriedades Térmicas da Matéria
6.1 Expansibilidade e Compressibilidade
6.2 Calor específico.

7. Primeira Lei da Termodinâmica
7.1 Trabalho
7.2 Calor
7.3 Conservação de energia - Primeira Lei da Termodinâmica
7.4 Entalpia
7.5 Equações de energia interna
7.6 Processos adiabáticos

8. Transferência de calor
8.1 Condução
8.2 Convecção
8.3 Radiação

9. Máquinas térmicas, máquinas frigoríficas e bombas de calor.
9.1 Diagrama de fluxo de energia numa máquina térmica. Rendimento
9.2 Motores de combustão externa – Ciclo de Stirling e máquina a vapor
9.3 Motores de combustão interna – Ciclo de Otto 
9.4 Diagrama de fluxo de energia de um refrigerador. Eficiência
9.5 Diagrama de fluxo de energia de uma bomba de calor. Eficiência 

10. Segunda Lei da Termodinâmica
10.1 Segunda Lei – Enunciados de Kelvin e de Clausius
10.2 Teorema de Carnot; Temperatura termodinâmica
10.3 Entropia
10.4 Processos reversíveis e irreversíveis; Desigualdade de Clausius
10.5 Visão microscópica de Entropia
10.6 Diagramas T-S

11. Implicações BIO das leis da Termodinâmica
11.1 O homem como máquina térmica
11.2 Processos de produção, armazenamento e transferência de energia nos humanos
11.3 Controlo e regulação de temperatura nos mamíferos de sangue quente

12. Equações Fundamentais e Potenciais Termodinâmicos
12.1 Equações TdS; Exemplos de Aplicação
12.2 Potenciais Termodinâmicos; Evolução dos sistemas para o equilíbrio

13. Terceira Lei da Termodinâmica
13.1 Enunciado da Terceira Lei da Termodinâmica
13.2 Consequências da Terceira Lei

14. Sistemas Abertos
14.1 Modificação das equações
14.2 Potencial químico
14.3 Transições de fase.
14.4 Visão termodinâmica da difusão e da pressão osmótica

15. Aplicações BIO da Entalpia e Energia de Gibbs

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: