Programa da cadeira Termodinâmica e Teoria Cinética
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Programa da cadeira Termodinâmica e Teoria Cinética Cursos: Engenharia Civil, Engenharia de Instrumentação e Electrónica Ano lectivo 2004-05, 2º semestre Docentes: Prof. Dr. Mikhail Benilov (aulas teóricas, regência da cadeira), Dr. Angelino Gonçalves (aulas teórico-práticas), Dr.ª Maria José Faria (aulas práticas) Carga horária semanal: 2T + 2TP + 3P 1. Introdução · · · · Termodinâmica e física molecular Áreas de utilização Estudo termodinâmico de sistemas macroscópicos Termodinâmica de equilíbrio, termodinâmica de processos irreversíveis, mecânica estatística, cinética 2. Temperatura a. Temperatura e equilíbrio termodinâmico · Temperatura por meio da percepção · Sistema fechado · Equilíbrio termodinâmico · Temperatura como conceito termodinâmico b. Medida da temperatura · Medida da temperatura como questão de convenção · Escala termométrica de gás ideal · Escalas Celsius e Farenheit · Tipos de termómetros c. Equação de estado · Equação de estado · Equação de estado de gás ideal · Relação entre variações de variáveis de estado 3. Primeira lei da termodinâmica a. Trabalho macroscópico · Processos quase estáticos · Trabalho macroscópico num processo elementar · Trabalho macroscópico num processo finito b. Primeira lei da termodinâmica · Calor como forma da energia · Primeira lei da termodinâmica: princípio da conservação da energia para 1 processos de calor · Energia interna c. Primeira lei da termodinâmica para alguns processos especiais · Processo cíclico · Processo adiabático · Processo isocórico · Processo isobárico · Processo de ebulição 4. Capacidade térmica a. Capacidade térmica · Unidade do calor · Capacidade térmica · Capacidades térmicas para alguns processos especiais i. Processo adiabático ii. Processo isotérmico iii. Processo isocórico iv. Processo isobárico · Calor específico · Capacidade térmica molar · Quantidade do calor num processo finito b. Energia interna e capacidade térmica de gás ideal · Experiências de Joule e Thomson. Energia interna de gás ideal · Capacidade térmica ao volume constante de gás ideal · Equação de Mayer. Capacidade térmica à pressão constante de gás ideal · Gás ideal num processo adiabático c. Capacidade térmica dos sólidos 5. Dilatação térmica e transferência de calor a. Dilatação térmica · Dilatação térmica dos sólidos i. Dilatação linear ii. Dilatação volumétrica · Dilatação térmica dos fluidos i. Dilatação volumétrica de líquidos ii. Dilatação volumétrica de gases b. Condução do calor · Vector da densidade do fluxo do calor · Equação da conservação do calor · Lei de Fourier. Equação da condução do calor c. Problemas simples da condução do calor · Solução unidimensional estacionária · Tempo característico da propagação do calor 2 d. Transferência de calor por convecção e radiação · Convecção · Radiação 6. Segunda lei da termodinâmica a. Processos reversíveis e irreversíveis · Definição · Exemplo · Processo quase estático não é necessariamente reversível b. Ciclo de Carnot · Ciclo · Ciclo de Carnot · Ciclo de Carnot para gás ideal c. Segunda lei da termodinâmica · Enunciado de Clausius · Enunciado de Kelvin e Planck · Equivalência dos enunciados de Clausius e de Thomson e Planck d. Teorema de Carnot · Teorema de Carnot · Demonstração do teorema · Rendimento das máquinas térmicas · Qualidade do calor e. Escala termodinâmica de temperatura · Escala termodinâmica de temperatura · Equivalência da escala termodinâmica e da escala do gás ideal · Zero absoluto 7. Entropia e outras funções termodinâmicas a. Desigualdade de Clausius · Desigualdade de Clausius para ciclo de Carnot · Desigualdade de Clausius para caso geral b. Entropia · Entropia como função de estado · Exemplo: entropia do gás ideal · Variação da entropia em processos reversíveis finitos i. Processo adiabático ii. Processo isotérmico iii. Processo com capacidade térmica constante · Variação da entropia em processos irreversíveis c. Lei do aumento da entropia 3 · Lei do aumento da entropia · Exemplo: expansão livre de gás ideal · Exemplo: condução do calor d. Funções termodinâmicas · Funções termodinâmicas · Sentido físico das funções termodinâmicas · Método de funções termodinâmicas 8. Teoria molecular a. Pressão de gás do ponto de vista da teoria molecular · Distância média entre moléculas é maior que alcance de forças intermoleculares · Pressão de gás do ponto de vista da teoria molecular · Cálculo cinético da pressão b. Temperatura de gás do ponto de vista da teoria molecular · Definição cinética da temperatura · Lei de Dalton c. Equipartição da energia · Energia de graus de liberdade de translação · Outros graus de liberdade · Equipartição da energia d. Capacidades térmicas do ponto de vista da teoria molecular · Capacidades térmicas de gases · Calores específicos de sólidos · Dependência da capacidade térmica com temperatura e. Movimento browniano · Movimento browniano · Teoria do movimento browniano 9. Elementos da mecânica estatística a. Distribuições de velocidades moleculares: caso unidimensional · Exemplo: caso discreto · Exemplo: caso contínuo · Distribuição de velocidades b. Velocidades características · Velocidade média · Velocidade quadrática média · Velocidade mais provável c. Distribuições de velocidades moleculares: caso tridimensional 4 d. Distribuição de Maxwell · Livre percurso médio · Distribuição de velocidades das moléculas de gás é criada pelas colisões entre si · Distribuição de Maxwell · Distribuição de Maxwell é mais provável em vez de absolutamente obrigatória e. Valores das velocidades características para distribuição de Maxwell · Distribuição das moléculas sobre valores do módulo da sua velocidade · Velocidades características · Exemplo: fuga das moléculas da atmosfera f. Entropia e probabilidade · Exemplo: probabilidade de estado · Entropia e probabilidade · Entropia como medida da desordem 10. Gases reais e equação de Van der Waals a. Equação de Van der Waals · Dedução da equação de Van der Waals · Exemplo numérico · Produto pV à temperatura constante para gás de Van der Waals · Outras equações de estado de gás real b. Isotermas de gás de Van der Waals · Isotermas de gás de Van der Waals · Ponto crítico · Equação de Van der Waals na forma reduzida c. Isotermas de gás real. Regra de Maxwell · Uma das condições necessárias da estabilidade dos estados termodinâmicos em sistemas a pext e Text constantes · Estabilidade de soluções da equação de Van der Waals · Regra de Maxwell · Sentido físico da temperatura crítica d. Termodinâmica de gás de Van der Waals · Relação entre equação de estado e dependência da energia interna com volume · Energia interna de gás de Van der Waals · Entropia de gás de Van der Waals · Exemplo: gás de Van der Waals num processo isotérmico Literatura 1. R. Resnick e D. Halliday, Física 2 (Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, 1981). 5 2. R. A. Serway, Física 2 (LTC – Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, 1996). 3. E. Fermi, Termodinâmica (Livraria Almendina, Coimbra, 1973). 4. F. W. Sears e G. L. Salinger, Termodinâmica, Teoria Cinética e Termodinâmica Estatística (Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1979). Modo de Avaliação Exame (sem consulta). As calculadoras gráficas e programáveis não são permitidas. Os alunos só poderão apresentar-se ao exame depois de terem aprovação na componente prática (laboratorial) da cadeira. A nota das aulas práticas será lançada depois da entrega e (se o professor julgar necessário) discussão dos relatórios. A nota final da cadeira será lançada com base na nota de exame e na nota das aulas práticas, as quais vão contar com pesos de 75% e 25%, respectivamente. Atenção: as aprovações na componente prática consideram-se válidas durante dois anos, além do ano no qual foram obtidas. 6
