Física II

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

10353

Créditos

6.0

Professor responsável

António Alberto Dias, Filipe Ribeiro Ferreira da Silva

Horas

Semanais - 4

Totais - 69

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

É recomendada a aprovação prévia nas disciplinas de

 "Análise Matemática I"

e

 "Física I".

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: Apontamentos de Termodinâmica

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 unidade curricular de Física II está dividida nas seguintes componentes: Teórico-prático online (OP); Prático online (PO) ; e numa componente prática (P ). As aulas teórico, OP,  têm a duração de 2,5 h semanais (1 h + 1:30 h) e as aulas PO, têm a duração 1 h semanal. As aulas P, tem carga horária de duas horas, de duas em duas semanas.

As aulas OP servem para introduzir os estudantes no conteúdo estrutural desta unidade curricular. Nas aulas PO far-se-á a discussão e a resolução problemas de aplicação dos conceitos expostos nas OP. 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 a desenvolver competências na montagem de laboratório e na experimentação. Servem também a introduzir ao manuseamento de aparelhos de (multímetros, balança, termómetros, IGNOREes de tensão, IGNOREes de calor, etc …).

Método de avaliação

Preâmbulo
As aulas de Física II terão os seguintes componentes (com a carga letiva semanal indicada):
# OP Teórico-prático online – 1,5 h + 1 h;
# PO Prática online – 1 h;
# P Prática – presencial – 1 h (2 h de laboratório, em semanas alternadas).

Artigo 1.º - Componente Teórico-Prático Online – OP
1. As aulas desta componente são online. A participação ativa em aula obriga à inscrição num turno OP.
2. Para cada turno OP, 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 estudem previamente os acetatos publicados nesta UC no Clip, em Documentação de apoio/Acetatos.
3. Uma planificação das aulas OP será publicado no Clip no início do semestre.
4. A avaliação desta componente é efectuada através de prova de conhecimentos por testes ou exame.
5. As datas dos momentos de avaliação e a informação sobre a forma de inscrição (tipicamente, as inscrições são aceites até uma semana antes da prova) nestas encontram-se no Clip.
6. No âmbito da avaliação contínua serão efectuados 2 testes ao longo do semestre, cuja classificação será arredondada às décimas.
7. A classificação da componente OP (CT) é a média aritmética, arredondada às unidades, das classificações obtidas nos testes ou a classificação do exame final.
8. Os estudantes que obtenham uma classificação CT igual ou superior a 10 valores obtêm aprovação na componente OP.
9. Os testes e exame irão decorrer para todos os estudantes de forma presencial. 

Artigo 2.º - Componente Prática Online - PO
1. As aulas práticas online são obrigatórias para alunos sem frequência.
2. Nestas aulas serão discutidos e resolvidos problemas sobre a matéria lecionada nas aulas teórico-práticas.
3. A série de problemas e os exercícios propostos para todas as sessões será divulgado no Clip no início do semestre.
4 Para cada turno PO, 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.

Artigo 3.º - Componente Prática - P
1. As aulas práticas, neste semestre e no contexto de pandemia, destinam-se exclusivamente a alunos que nunca tenham obtido frequência.
2. As aulas práticas terão a duração de 2 horas e funcionarão em semanas alternadas.
3. Na primeira aula prática de cada turno serão: a) apresentadas em detalhe as regras de avaliação desta componente; b) confirmadas presencialmente a inscrição no turno; c) constituídos os grupos de trabalho (2 estudantes por grupo); d) efectuada uma revisão sobre a análise de resultados.
4. Os estudantes que não satisfaçam o n.º 3.b poderão ter a sua inscrição no turno prático cancelada no CLIP.
5.  Durante a primeira semana de aulas práticas, e dentro do limite das vagas disponíveis, poderão ser aceites mudanças de turno. Mais informações serão dadas na primeira aula prática.

6. Nas aulas práticas serão realizados 4 trabalhos de laboratório.

7. A execução de cada trabalho prático e respectivo 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.
8. Apenas para os alunos aprovados, haverá um teste prático no final do semestre, individual e sem consulta, podendo envolver questões de todos os trabalhos previstos para cada grupo e os conteúdos relativos à análise de resultados. Este teste será classificado de 0 a 6 valores.
9. A classificação da componente prática CP, arredondada às unidades, é a média aritmética das classificações obtidas nos MR mais a classificação obtida no teste prático.

Artigo 4.º - 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 anteriormente é válida no corrente ano letivo. Consequentemente, os estudantes com frequência não se podem inscrever nos turnos práticos, nem nos turnos práticos online.
3. No próximo ano a validade da frequência voltará a ser apenas de 2 anos. Este ano, aos estudantes que tenham obtido frequência há mais de dois anos, é atribuído dez valores na componente CP.
4. A lista dos estudantes que obtiveram frequência em anos anteriores estará no CLIP em "Documentação de Apoio > Outros, logo que termine o período de matrícula e inscrição nas unidades curriculares.

Artigo 5.º - Aprovação
1. Os estudantes aprovados simultaneamente nas componentes OP e P obtêm aprovação na unidade curricular.

Artigo 6.º - Classificação Final
1. A classificação final (CF) dos estudantes é o resultado da seguinte expressão aproximado às unidades:
CF = CT×0,7 + CP×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.

Artigo 7.º - 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 obtenham classificação final, por melhoria, superior a 16 valores ficam sujeitos às condições descritas nos pontos 2, 3 e 4 da classificação Final.

Artigo 8.º - Conduta em Aula
1. Nas aulas online os alunos devem identificar-se como de seguida: primeiro nome_nome de família – n.º estudante.
2. Para que todos beneficiem da experiência de aprendizagem é exigido aos estudantes que respeitem nas aulas o seguinte:
a. Pontualidade: Os estudantes deverão estar presentes na sala à hora de começo da aula. Os docentes poderão impedir 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. Participação em aula: pelos menos quando participam os alunos devem ligar a câmara e o microfone.

Artigo 9.º - Testes e Exame
1. Cada teste incidirá essencialmente sobre toda a matéria leccionada nas aulas teórico-práticas  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.

Artigo 10.º - Outros
Os estudantes quando contactarem os docentes através de mensagem electrónica (email) devem indicar no “Assunto (Subject)” a seguinte informação: “Física II - Nome – N.º de estudante – Assunto”. Não serão respondidas mensagens eletrónicas com perguntas cuja resposta conste nos Artigos anteriores ou na página da unidade curricular no CLIP.

Conteúdo

1. Energia Interna
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 velocidades de Maxwell Boltzmann.
2.3 Livre Percurso Médio. Difusão. Pressão Osmótica.

3. Sistema e propriedades Termodinâmicas
3.1 Sistema Termodinâmico.
3.2 Propriedades Termodinâmicas.
3.2.1 Temperatura. Lei Zero da Termodinâmica.
3.2.1.1 Propriedades termométricas.
3.2.1.2 Escalas de temperatura.
3.2.1 Pressão: barométrica, manométrica, absoluta.

4. Equilíbrio, processos e equação de estado
4.1 Equilíbrio Termodinâmico.
4.3 Processos.
4.4 Equação de Estado e superfície PVT.
4.5 Equação de estado de um gás ideal.
4.6 Equação de estado de um gás real.

5. Transição de fase e coeficiente termoelásticos
5.1 Transição de fase.
5.2 Diagramas PV, PT e PVT.
5.3 Coeficiente Termoelástico: expansibilidade e compressibilidade.

6. Dinâmica de Fluidos
6.1 Densidade e Pressão: barométrica, manométrica e absoluta
6.2 Princípio de Arquimedes
6.3 Equações de Continuidade e de Bernoullie
6.4 Aplicações: Voar; Tubo de Venturi.
6.5 Viscosidade; regimes de movimento de fluidos viscosos
6.6 Lei de Poiseuille

7. Calor e trabalho
7.1 Calor
7.1.1 Capacidade calorífica e calor específico.
7.2 Equivalente mecânico do calor.
7.3 Trabalho.
7.4 Função de processo e função de estado.

8. Primeira Lei da Termodinâmica
8.1 Primeira Lei da Termodinâmica.
8.2 Casos limite.
8.3 Entalpia e calor latente.
8.4 Equações de energia interna.
8.5 Processo adiabático.

9. Transferência de calor
9.1 Condução.
9.2 Convecção.
9.3 Radiação.

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.

11. Primeira + Segunda Leis da Termodinâmica
11.1 Equações TdS; Exemplos de Aplicação.
11.2 Diagramas TS.
11.3 Entropia da transição de fase.

12. Máquinas térmicas, máquinas frigoríficas e bombas de calor
12.1 Máquina Térmica. Análise do ciclo Termodinâmico. Rendimento.
12.2 Máquina de Carnot. Máquina de Stirling. Ciclo de Rankine. Motor de Otto. Motor Diesel.
12.3 Motores de combustão interna – Ciclo de Otto
12.4 Máquina frigorífica. Análise do ciclo Termodinâmico. Eficiência.
12.4.1 Processo Joule-Thomson.
12.5 Bomba de calor. Análise do ciclo Termodinâmico. Eficiência.

13. Potenciais Termodinâmicos
13.1 Energia Interna. Entalpia. Energia de Helmholtz. Energia Gibbs.
13.2 Evolução do sistema para o equilíbrio.
13.3 Diagramas GT e ST.
13.4 Relações de Maxwell.

14. Terceira Lei da Termodinâmica e Sistemas Abertos
14.1 Teorema Nernst.
14.2 Consequências da Terceira Lei.
14.3 Equações dos potenciais termodinâmicos modificadas. Potencial químico.
14.4 Transição de fase. Equação de Clausius-Clapeyron.
14.5 Visão termodinâmica da difusão.