Termodinâmica de Processos
Objetivos
Conhecimento: Aprendizagem dos conceitos básicos de Termodinâmica e os relevantes para Ciência de Materiais. Aprendizagem de terminologia Física correta; Introdução à metrologia (medida, tratamento de resultados); Familiarização com instrumentação.
Caracterização geral
Código
12692
Créditos
6.0
Professor responsável
António Alberto Dias
Horas
Semanais - 4
Totais - 63
Idioma de ensino
Português
Pré-requisitos
É recomendada a aprovação prévia nas disciplinas de "Análise Matemática I" e "Física I".
Bibliografia
Introduction to the Thermodynamics of Materials, David R. Gaskell, Taylor & Francis ed. Fundamentals of Physics; Halliday/Resnick/Walker
Apontamento de Termodinâmica.
Método de ensino
A disciplina está dividida em componentes: teórica (T) teórico-prática (TP) e prática (P). As aulas T decorrem em 2 sessões semanais de 1,5h/1h, nas aulas TP correspondem a uma sessão semanla de 1h, incluem resolução de problemas tipo. As aulas P, com uma carga horária de 2h de duas em duas semanas, constiturm apenas aulas laboratoriais.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 experimentaçãoNas aulas TP são realizados alguns problemas das séries, bem como, em dois momentos de avaliação, dois problemas para nota.
Método de avaliação
Artigo 1.º - Componente Teórica – T
1. A participação ativa em aula obriga à inscrição no turno teórico, T.
2. A avaliação desta componente da Unidade Curricular (UC) é efetuada através de prova de conhecimentos por testes ou exame.
3. 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. Estudante com frequência está dispensado das aulas TP.
3. Nestas aulas serão discutidos e resolvidos problemas sobre a matéria lecionada nas aulas teóricas.
4. A avaliação da componente teórico-prática (CTP) é a média aritmética, arredondada às unidades, das duas melhores classificações obtidas nos minitestes que serão ministrados nas aulas teórico-práticas. Ausências aos minitestes corresponde a uma nota igual a zero.
5. A participação ativa nas aulas, poderá ser compensada com a adição de um valor à CTP, não podendo esta ser superior a 20 valores.
Artigo 3.º - Componente Prática – P
1. Está dispensado da componente prática de Termodinâmica de Processos, todo o estudante que tenha obtido frequência anteriormente.
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 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. O estudante que não compareça à primeira aula P, terá a sua inscrição no turno prático cancelada; ficando a vaga disponível.
5. A execução de cada trabalho de laboratório e respetivo minirelatório é classificada de 0 a 20 valores. A ausência à aula ou a não entrega de relatório é classificada com zero valores. 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 frequência obtida anteriormente é valida este ano. Um estudante com frequência não se pode inscrever nos turnos P, nem nos turnos TP.
3. 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) nesta UC é o resultado da aplicação de uma das seguintes expressões, aproximado à unidade:
CF = CT×0,6 + CTP×0,1 + CP×0,3 # para estudante que obtenha frequência este ano
CF = CT×0,7 + CP×0,3 # para estudante com frequência em ano 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 - 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: “TProcessos - 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 termodinâmicos
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; 1.ª Lei; 2.ª Lei e 3.ª Lei da Termodinâmica. Potenciais termodinâmicos.
2- Primeira lei da Termodinâmica
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. Equações de Poisson e Relação de Mayer. Processo reversíveis: adiabático, isotérmico, isocórico, isobárico, etc. Casos particulares.
3- Processos de Transferência de Calor
Condução – Lei de Fourier. Convecção – Lei de Arrefecimento de Newton. Radiação – Lei de Stefan-Boltzmann.
4- Segunda lei da Termodinâmica
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. Entropia estatística. Manifesto de Entropia. Propriedades das máquinas térmicas: máquina de Carnot. Escala termodinâmica de temperatura. Segunda Lei da Termodinâmica. Influência da pressão e temperatura na entropia Trabalho máximo. Entropia e critério de equilíbrio. Manifesto da 1.ª e 2.ª Leis combinadas. Interpretação estatística de entropia. Microestados e configurações de entropia. Distribuição de Boltzmann. Influência da temperatura. Equilíbrio térmico. Equação de Boltzmann.
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. Equação de Gibbs-Duhem. Equação de Gibbs-Helmholtz.
7- Termodinâmica de processos e Terceira Lei da Termodinâmica
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
Variação da energia de Gibbs em função da temperatura e da pressão. 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. Substâncias puras e misturas. Energia de Gibbs e capacidade térmica a pressão constante. Representação gráfica. Equilíbrio ente fases. Efeito do campo magnético – Diagrama PT.
9- Comportamento termodinâmico de gases
Relações PVT em gases. Propriedades de um gases ideais e mistura de gases ideais. Misturas: Fração molar; Lei de Dalton das pressões parciais; Quantidades parciais molares. Entalpia, energia de Gibbs e entropia de mistura de gases ideais. Desvio da idealidade e equações de estado de gases reais. Fluido de van der Walls. Outras equações de estado de gases não ideais. Complemento termodinâmico de gases não ideais.
10- Comportamento termodinâmico de soluções
Lei de Raoult e Lei de Henry. Atividade termodinâmica de componente de solução. Equação de Gibbs-Duhem. Energia de Gibbs de formação numa solução: Energia de Gibbs molar de uma solução e energias de Gibbs molares parciais dos componentes da solução; Variação da energia de Gibbs por formação da solução; Método da interseção de tangentes. Propriedades de soluções ideais: variação de volume por formação se solução ideal; entalpia e entropia de formação de solução ideal. Soluções não ideais. Aplicação da relação de Gibbs-Duhem para determinação de atividade: relação entre as leis de Henry e Raoult; cálculo direto da energia de Gibbs molar total da mistura. Soluções regulares. Modelo estatístico de soluções: Extensão do modelo de solução regular – parâmetro de ordem atómica; Inclusão de interações de segunda vizinhança. Soluções subregular. Modificação do modelo de soluções regulares para polímeros.
Cursos
Cursos onde a unidade curricular é leccionada: