Biotermodinâmica

Caracterização geral

Pré-requisitos

É recomendada a aprovação prévia nas disciplinas de Análise Matemática II C e Biofísica.

Bibliografia

1) Thermodynamics, James H. Luscombe, 2018 CRC Press
2) Modern thermodynamics: from heat engines to dissipative structures, Dilip Kondepudi, Ilya Prigogine, 2015 John Wiley & Sons, Ltd.
3) Biothermodynamics: The Role of Thermodynamics in Biochemical Engineering, Edited by Urs von Stockar, 2013 EPFL Press.
4) Physical Chemistry for the Life Sciences, Peter Atkins, Julio de Paula, 2006, Oxford University Press.

Método de ensino

A unidade curricular de BioTermodinâmica está dividida nas seguintes componentes: Teórico (T); Teórico-Prático (TP) ; e numa componente prática (P). As aulas teórico, T,  têm a duração de 2,5 h semanais (1 h + 1:30 h) e as aulas TP, têm a duração 1,5 h por semana. As aulas P, tem carga horária de duas horas de 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

Artigo 1.º - Componente Teórica – T
1. A participação ativa em aula obriga à inscrição no turno teórico, T.
2. As aulas teóricas têm um período de contacto docente de 2,5 hora/semana, distribuídos em duas aulas por semana.
3. No início do semestre é disponibilizado uma programação provisoria das aulas e testes.
4 A avaliação desta componente é efetuada através de prova de conhecimentos por testes ou exame. No âmbito da avaliação contínua serão efetuados 2 testes ao longo do semestre, cuja classificação é arredondada às décimas.
5. A classificação da componente T (CT) é a média aritmética, arredondada à unidade, das classificações obtidas nos testes ou a classificação do exame final.
6. O estudante que obtenha uma classificação CT igual ou superior a 10 valores obtêm aprovação na componente teórica.

Artigo 2.º - Componente Teórico-Prática – TP
1. As aulas teórico-práticas são obrigatória, com registo de presenças, para obter frequência. Os estudantes com frequência estão dispensados desta componente, mas poderão solicitar ao docente do turno para assistir às aulas.
2. As aulas práticas têm duração de 1,5 hora/semana.
3. No início do semestre é disponibilizado uma programação provisoria das aulas.
4. Nestas aulas serão discutidos e resolvidos problemas sobre a matéria lecionada nas aulas teóricas.
5. Os estudantes devem gerir a possibilidade de poderem não comparecer a 1/3 das aulas de forma a poderem utilizar essas faltas para eventuais compromissos ou situações imponderáveis, incluindo situações pontuais de doença.

Artigo 3.º - Componente Prática – P
1. As aulas práticas são obrigatória, com registo de presença, para obter frequência. Os estudantes com frequência estão dispensados desta componente.
2. As aulas práticas têm duração de 2 horas e funcionarão em semanas alternadas.
3. Na primeira aula prática de cada turno são constituídos os grupos de trabalho de laboratório (2 estudantes por grupo); é efetuada uma revisão sobre a análise de resultados; e é apresentado o planeamento das aulas práticas.
4. A execução de cada trabalho de laboratório e respetivo mini-relatório é classificada de 0 a 20 valores. A ausência à aula ou a não entrega de relatório é classificada com zero valores.
5. O estudante que obtenha uma nota média nos mini-relatórios, MR, arredondada à unidade, superior ou igual a dez valores é aprovado na componente de laboratório.
6. O estudante aprovado na componente prática têm acesso a um teste prático, Tp, no final do semestre, individual e sem consulta, podendo envolver questões de todos os trabalhos previstos para o seu grupo e os conteúdos relativos à análise de resultados.
7. A nota da componente prática, CP, arredonda à unidade, é 70% da nota MR mais 30% da nota obtida no Tp.

Artigo 4.º - Frequência
1. O estudante que participe, em pelo menos, 2/3 das aulas TP e obtenha aprovação na componente P, obtêm frequência nesta Unidade Curricular (UC).
2. A lista de estudantes com frequência em anos anteriores estará no CLIP em "Documentação de Apoio > Outros, até ao final da primeira semana de aulas.

Artigo 5.º - Aprovação
1. O estudante com frequência e que obtenha uma nota CT maior ou igual a dez valores, obtêm aprovação nesta UC.

Artigo 6.º - Classificação Final
1. A classificação final (CF) é o resultado da seguinte expressão aproximado à unidade: CF = CT×0,7 + CP×0,3
2. Se a classificação final for superior a 16 valores, o estudante é admitido a uma prova adicional (ex.: oral).
3. Na prova adicional o estudante pode subir ou descer a sua classificação, com garantia de nota mínima de 16 valores.
4. A ausência à prova adicional traduz a aceitação por parte do estudante da nota final de 16 valores.

Artigo 7.º - Melhoria de Nota
1. O estudante que pretenda efetuar melhoria de nota deve cumprir, para esse efeito, as formalidades legais de inscrição.
2. O estudante que obtenha classificação final, por melhoria, superior a 16 valores fica sujeito às condições descritas nos pontos 2, 3 e 4 do Artigo 6.º.

Artigo 8.º - Conduta em Aula
1. Para que todos beneficiem da experiência de aprendizagem é exigido todo estudante que respeite nas aulas o seguinte:
a. Pontualidade: Deverá estar presentes na sala à hora de começo da aula. O docente poderá impedir a entrada para atrasos superiores a 5 minutos;
b. Preparação das aulas e participação nas discussões: A participação ativa exige que que cada estudante prepare a matéria apresentada e discutida nas aulas, e que contribua positivamente para as discussões científicas dos temas.

Artigo 9.º - Testes e Exame
1. Cada teste incidirá essencialmente sobre toda a matéria lecionada nas aulas Teóricas até à aula anterior ao teste.
2. Apesar da avaliação nos testes não ser cumulativa, e devido à natureza dos assuntos abordados nesta UC, 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 dos testes e exame serão publicados no CLIP, no dia da prova.
4. Cada estudante só poderá 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 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
1. Quando contactar por mensagem eletrónica, qualquer docente, deve indicar no “Assunto” a seguinte informação: “Biotermodinâmica - Nome – N.º de estudante – Assunto”.
2. Questões cuja resposta conste nos Método de Avaliação ou na página desta UC no CLIP, não são respondidas.

Conteúdo

1. Conceitos Base de Termodinâmica
Sistema, fronteira, estados e suas propriedades termodinâmicas. Processos e equação de estado. Propriedades termoelásticas. Diagrama 3D e 2D das propriedades termodinâmicas. Introdução às leis da termodinâmica. Potenciais termodinâmicos. Introdução à termodinâmica de organismos vivos (bio); sistemas abertos e sistemas fora de equilíbrio.

2. Primeira Lei da Termodinâmica
Formas de energia e energia interna. Calor, calorimetria e calores específicos de gases. Trabalho. Primeira Lei. Entalpia e calor Latente. Equações de energia interna. Adiabática versus Isotérmica. Aplicação em sistema bio.

3. Processos de Transferência de Calor
Condução – Lei de Fourier. Convecção – Lei de Arrefecimento de Newton. Radiação – Lei de Stefan-Boltzmann. Metabolismo e termorregulação de sistemas bio.

4. Segunda Lei da Termodinâmica
Processo espontâneo. Medida da irreversibilidade – Entropia. Processo reversível. Cálculo de entropia. Enunciados clássicos de entropia. Teorema de Carnot. Escala termodinâmica de temperatura. Diagrama TS. Desigualdade de Clausius. Trabalho máximo. Relação fundamental da termodinâmica. Equações TdS e outras equações de energia. Entropia estatística. Aplicação em sistemas biológicos.

5. Dispositivos de Potência e Refrigeração
Máquinas de Carnot e de Sterling. Ciclo de Rankine. Bomba de Calor e Máquina de Refrigeração

6. Potenciais Termodinâmicos
Energia interna e entalpia. Energia de Helmholtz. Energia de Gibbs Diagramas HT e GT. Aplicação em sistema fechado e com campos eletromagnéticos; e com alteração de composição. Relações de Maxwell.

7. Processos e Terceira Lei da Termodinâmica
Lei de Dulong-Petit. Modelo de Einstein. Lei de Debye. Variação da entalpia com a temperatura – Lei de Kirchhoff. Efeito da pressão na entalpia. Energia de Gibbs e entropia do processo. Terceira Lei.

8. Termodinâmica de Equilíbrio
Análise de fase gasosa, líquida, sólida e transição de fase. Transição de fase de 1.ª ordem e outras. Regra de equilíbrio de fases de Gibbs. Equação de Clausius-Clapeyron. Equação de Gibbs-Duhem Substâncias puras e misturas. Energia de Gibbs e capacidade térmica a pressão constante.

9. Teoria Cinética de Gases e Difusão
Equação de Bernoulli – Pressão. Energia cinética média – Temperatura. Teorema da Equipartição de Energia. Distribuição de velocidades de Maxwell-Boltzmann. Livre percurso médio. Fluido. Princípios de Arquimedes e de Pascal. Caudal estacionário. Equação de continuidade. Equação de Bernoulli de fluxo. Medição de fluxo. Fenómenos de difusão e osmose. Aplicação a sistemas bio.

10. Termodinâmica de Não Equilíbrio
Termodinâmica de não equilíbrio – relações de Onsager. Organismo bio – sistema termodinâmico de não equilíbrio. Aplicações bio.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: