Termodinâmica de Processos

Caracterização geral

Pré-requisitos

É recomendada a aprovação prévia nas disciplinas de "Análise Matemática I" e "Física I".

Bibliografia

A) Introduction to the Thermodynamics of Materials, David R. Gaskell, Taylor & Francis ed.

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

C) Termodinâmica, A. Dias, C. Lança e M. L. Costa, Apontamentos

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

Preâmbulo
Na Unidade Curricular (UC) de Termodinâmica de Processos vão separar-se os inscritos em dois grupos, conforme situação no primeiro dia de aula: estudante NP – estudante de primeira inscrição ou repetente sem nota prática positiva; estudante PP – estudante com nota prática positiva, e, portanto, com duas ou mais inscrições (repetente). Todo o estudante NP só pode ser avaliado pelo método de avaliação contínua, conforme abaixo expresso.

Estudante PP têm uma via facilitadora de avaliação, com exame de toda a matéria na data do 1º teste; com compromisso de estudo concentrado no início do semestre, apoiado em aulas suplementares. Todavia, conforme abaixo expresso, pode optar pela avaliação de estudante NP.
A lista de estudantes PP estará no CLIP em "Documentação de Apoio > Outros, antes de se iniciarem as aulas.

Artigo 1.º - Componente Teórica – T
1. O conteúdo desta UC é lecionado nas aulas teóricas. O horário das aulas teóricas de estudante NP é o que consta do CLIP. Para o estudante PP haverá 8h de aulas suplementar, não incluída ainda no horário, que são combinadas na primeira aula teórica, e que têm de decorrer até uma semana antes da data do 1º teste.
2. A avaliação da componente teórica é efetuada através de prova de conhecimento por testes ou exame. Este ano a avaliação será diferenciada para estudante PP e estudante NP.
3. Avaliação de estudante NP: é realizada por dois testes, com classificação arredondada às décimas, cuja média aritmética, arredondada à unidade, origina a classificação da componente teórica (CT). Em alternativa, haverá um exame de recurso, cuja classificação arredondada à unidade, é a classificação CT.
4. Avaliação de estudante PP: é feita por prova tipo exame, na data do 1º teste, cuja classificação arredondada à unidade é a classificação CT. Em alternativa, haverá um exame de recurso, cuja classificação arredondada à unidade, é a classificação CT.
5. O estudante PP ao proceder à inscrição para o 1º teste (ver Artigo 7.º), está automaticamente a inscrever-se para prova tipo exame.
6. O estudante PP poderá decidir, até uma semana antes do 1º teste, ser avaliado como o estudante NP. Para esse efeito envia obrigatoriamente um e-mail ao professor António Dias, com essa indicação. Não existindo esta mensagem é avaliado sempre como estudante PP.
7. O estudante PP ou NP 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 complementares às aulas teóricas, e nelas serão discutidos e resolvidos problemas.
2. Estas aulas destinam-se especialmente a estudante NP.
3. A avaliação da componente teórico-prática (CTP), é a média aritmética, arredondada às unidades, das classificações obtidas nos minitestes, em data ocasionais, sem prévio conhecimento. Ausência ao miniteste corresponde a uma nota de zero valores.

Artigo 3.º - Componente Prática – P
1. As aulas práticas são obrigatórias para o estudante NP.
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; 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. 6. O estudante tenha nota média nos minirelatórios, nota CP, arredondada à unidade, superior ou igual a dez valores obtém frequência e é aprovado na componente prática.

Artigo 4.º - Aprovação, Classificação Final e Defesa de Nota
1. O estudante com frequência e que obtenha uma nota CT maior ou igual a dez valores, obtêm aprovação nesta UC.
2. 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 NP
CF = CT×0,7 + CP×0,3 # para estudante PP
3. Se a classificação final for superior a 16 valores, o estudante é admitido a uma prova adicional de defesa de nota (ex.: oral).
4. Na prova de defesa de nota o estudante pode subir ou descer a sua classificação, com garantia de nota mínima de 16 valores.
5. A ausência à prova adicional traduz a aceitação por parte do estudante da nota final de 16 valores.

Artigo 5.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 3, 4 e 5 do Artigo 4.º.

Artigo 6.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.
c. Estudante que, de alguma forma, perturbe o normal funcionamento da aula será convidado a deixar a sala de aula.

Artigo 7.º - Testes e Exame
1. Cada prova de avaliação do tipo teste incidirá, essencialmente, sobre a matéria lecionada até à última aula Teórica, da semana anterior à avaliação.
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 anteriormente.
3. A distribuição de estudantes pelas salas de prova será publicado, em aviso, no CLIP, no dia dos testes ou exame.
4. A inscrição para os testes é obrigatória e feita exclusivamente na plataforma CLIP. O período de inscrição começa duas semanas antes da prova e termina uma semana antes. Se não comparecer na sala de prova dentro dos primeiros quinze minutos, o estudante inscrito passa à situação de não inscrito.
5. O estudante não inscrito, só poderá realizar a prova, se quinze minutos depois do início da mesma, existirem lugares na sala e cadernos de prova para todos os interessados.
6. A prova termina ao mesmo tempo para todos os estudantes (inscritos e não inscritos).
7. Cada estudante durante a prova de avaliação não poderá ter consigo telemóvel, relógio, ou qualquer dispositivo eletrónico de comunicação. O não cumprimento deste ponto será sempre tratado como fraude.
8. Ao entrar na sala o estudantes deve ter na mão, os seguinte elementos que pode levar para o posto de realização de avaliação: cartão de identificação, máquina de calcular científica (não programável e não gráfica); material de escrita (só são corrigidas questões resolvidas a caneta, sem vestígios de carvão). Todos os restantes pertences do estudante ficarão no espaço da sala que o docente vigilante indicar.
9. Durante a realização da prova não é permitido a consulta de quaisquer elementos pessoais ou de outrem. O não cumprimento deste ponto será sempre tratado como fraude.
10. Para a realização da prova de avaliação não é necessária folha de teste. A cada estudante será fornecido caderno de prova, que não pode ser desagrafado, e formulário.
11. Situações de fraude, em qualquer momento de avaliação, serão tratadas como indicado no regulamento de avaliação de conhecimentos, em vigor.

Artigo 8.º - Outros
1. Para qualquer questão desta UC, privilegia-se o contacto direto no final das aulas teóricas.
2. Porém, se precisar 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 carecem de resposta docente.

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- Teoria Cinética e Difusão
Teoria Cinética de Gases e Teorema da Equipartição de Energia. Distribuição de Velocidades de Maxwell-Boltzmann. Parâmetros de Difusão de Gases.

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

7- 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.

8- Calor Específico de Sólidos 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.

9- 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.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: