Biotermodinâmica

Caracterização geral

Pré-requisitos

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

Bibliografia

A   Termodinâmica Aplicada, E.G. Azevedo, 4ª Ed., 2018, Escolar Editora.

B  Modern thermodynamics: from heat engines to dissipative structures, D. Kondepudi, I. Prigogine, 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

C  Biothermodynamics: The Role of Thermodynamics in Biochemical Engineering, Edited by Urs von Stockar, 2013 EPFL Press.

D  Non-Equilibrium Thermodynamics For Engineers, S.Kjelstrup, J. Gross e E. Johannessen, 2ª Ed., 2017, World Scientific Publishing Ltd.

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. No início do semestre é disponibilizado uma programação provisoria das aulas e testes.
3. 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.
4. A classificação da componente T (CT) é a média aritmética, arredondada à unidade, das classificações obtidas nos testes ou a classificação do exame final.
5. 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 todo o estudante sem frequência.
2. Não é aceite justificação de ausências fortuitas. Cada estudante deve gerir a possibilidade de poder não comparecer a 1/3 das aulas para eventuais compromissos ou situações imponderáveis, incluindo situações pontuais de doença.
3. Estudante com frequência está dispensado das aulas TP.
4. Nestas aulas serão discutidos e resolvidos problemas sobre a matéria lecionada nas aulas teóricas.
5. A avaliação da componente teórico-prática (CTP) é a média aritmética, arredondada à unidade, das duas melhores classificações obtidas nos minitestes que serão ministrados aleatoriamente nas aulas teórico-práticas. Ausências aos minitestes corresponde a uma nota igual a zero.

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; exceto a primeira aula que funciona em simultâneo para ambos os turnos.
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 de laboratório 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, arredondada 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 na componente prática uma nota CP igual ou superior a dez valores obtêm frequência.
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×0,6 + CTP×0,1 + CP×0,3 # com frequência em 2023-2024
CF = CT×0,7 + CP×0,3 # com frequência em 2022-2023 ou anterior
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 - Momento de avaliação - Testes ou Exame
1. Cada prova de avaliação incidirá essencialmente sobre toda a matéria lecionada nas aulas Teóricas até à aula anterior.
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 ou exame será 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 pessoal que pode ocupar no máximo uma página.
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: “BioT - Nome – N.º de estudante – Assunto”.
2. Só são respondidas questões cuja resposta não conste dos Método de Avaliação ou da página do CLIP. Existindo várias questões do mesmo tipo, a resposta poderá constar dos avisos no CLIP.

Conteúdo

1. Conceitos de Termodinâmica
Sistema, fronteira, estados e suas propriedades termodinâmicas. Processos e equação de estado. Propriedades termoelásticas. Estado de equilíbrio. Equação de Estado. Diagrama de equilíbrio de fases e componentes termodinâmicas. Lei zero da Termodinâmica. Introdução à 1.ª Lei; 2.ª Lei e 3.ª Lei. Potenciais termodinâmicos. Introdução à termodinâmica de organismos vivos (bio); sistemas abertos e sistemas fora de equilíbrio.

2. Primeira Lei
Formas de energia e energia interna. Calor, calorimetria e calores específicos de gases. Trabalho de configuração. Outras formas de trabalho: trabalho magnético; trabalho elétrico; trabalho de superfície. Primeira Lei. Entalpia e calor Latente. Influência da pressão e temperatura na entalpia. Lei de Kirchhoff. Variação de entalpia de uma reação. Equações de energia interna. Equação de Poisson e relação de Mayer. Processo adiabático versus isotérmico. 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. Irreversibilidade e Segunda Lei
Processo espontâneo. Medida da irreversibilidade – Entropia. Processo reversível. Cálculo de entropia. Enunciados clássicos de entropia. Propriedades das máquinas térmicas: máquina de Carnot. 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. Influência da pressão e temperatura na entropia Trabalho máximo. Entropia e critério de equilíbrio. Interpretação estatística de entropia. Microestados e configurações de entropia. Distribuição de Boltzmann. Aplicação em sistemas bio.

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, entalpia, energia de Helmholtz e energia de Gibbs num processo reversível não cíclico. Diagramas hT e gT. Aplicação em sistema fechado com alteração de composição. Relações de Maxwell. Equação de Gibbs-Duhem. Equação de Gibbs-Helmholtz.

7. Processos Termodinâmicos e Terceira Lei
Lei de Dulong-Petit. Modelo de Einstein. Lei de Debye. Efeito da pressão na entalpia. Energia de Gibbs e entropia do processo. Terceira Lei.

8. Termodinâmica de Equilíbrio – Sistema simples e composto
Análise de fase gasosa, líquida, sólida e transição de fase; representação gráfica. Transição de fase de 1.ª ordem e outras. Regra de equilíbrio de fases de Gibbs. Equação de Clausius-Clapeyron. Termodinâmica de sistema simples e misturas. Energia de Gibbs e capacidade térmica a pressão constante. Propriedades de gás ideal simples e misturas. Lei de Dalton. Gases não ideais-equações de estado. Fluido de van der Walls. Formação de mistura líquida: Lei de Raoult e Lei de Henry. Variação nas propriedades termodinâmicas na mistura líquida. Método da interseção. Mistura regular.

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. Biotermodinâmica - Termodinâmica de Não Equilíbrio
Equações de fluxo. Acoplamento fluxo-força em sistema fora do equilíbrio. Relações de Onsager. Trabalho perdido e produção de entropia. Equilíbrio local em sistemas simples. Equações de balanço. Fluxo de calor total e fluxo de calor mensurável. Teorema de Prigogine. Modelo para descrição de sistema bio e sua parametrização.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: