Programa

Termodinâmica e Teoria Cinética

Curso Livre em MINOR - Alunos Externos

Licenciatura Bolonha em Física

Licenciatura Bolonha em Química

Licenciatura Bolonha em Biologia

Licenciatura Bolonha em Bioquímica

Licenciatura Bolonha em Matemática

Licenciatura Bolonha em Matemática Aplicada

Mestrado Integrado em Engenharia Física

Programa

I. Introdução 1.1 Conceitos preliminares. O que é a física térmica? Os conceitos de sistema termodinâmico e limite termodinâmico. Equilíbrio e flutuações. Propriedades extensivas e intensivas. Energia interna. Calor. A experiência de Joule. A noção de constrangimento e medida em termodinâmica: capacidade calorífica a pressão constante Cp, e a volume constante, Cv. O gás ideal: formulação empírica da equação do gás ideal. Temperatura, equilíbrio térmico e a lei zero da termodinâmica. II. Termodinâmica 2.1 Definições. O conceito de sistema termodinâmico. Propriedades intensivas e extensivas. Processo termodinâmico. Processos quasi-estáticos, reversíveis e irreversíveis. Tempo de relaxação e tempo característico. Trabalho em processos quasi-estáticos. Funções de estado e diferenciais exactas. A importância da equação de estado do gás ideal. 2.2 A primeira Lei da Termodinâmica. Calor e trabalho. Conservação de energia em sistemas térmicos e a primeira lei da termodinâmica. Aplicações da primeira lei: expansão adiabática e expansão isotérmica do gás ideal. Cp e Cv para o gás ideal. 2.3 A segunda lei da termodinâmica: Equivalência dos postulados de Clausius e de Kelvin. O ciclo de Carnot para o gás ideal. Teorema de Claussius e entropia. Processos irreversíveis e mais um enunciado para a segunda lei. Um paradigma de processo irreversível: A expansão de Joule. Revisitando a primeira Lei: A equação fundamental da termodinâmica. Temperatura termodinâmica. Aplicações do conceito de entropia e da segunda lei. Sistemas em contacto térmico e misturas de gases ideias (entropia de mistura). 2.4 Termodinâmica em acção. Energia interna e entalpia. Constrangimentos e princípios de extremo. A energia livre de Helmholtz – uma dedução com base em argumentos físicos. Energia livre de Helmholtz e trabalho. A energia livre de Gibbs. Introdução ao potencial químico. Relações de Maxwell. Revisitando o conceito de extensividade: a importância das condições fronteira. Uma consequência do conceito de extensividade: funções homogéneas e a equação de Euler. A equação de Gibbs-Duhem e graus de liberdade termodinâmicos. A mnemónica da termodinâmica e o diagrama de Max-Born. Análise formal dos potenciais termodinâmicos: Transformadas de Legendre. 2.5 Aplicações da termodinâmica. Introdução às transições de fase. Diagrama de fase de um fluído: linhas de coexistência, ponto triplo e ponto crítico. Transições de primeira ordem e de segunda ordem. A equação de estado de van der Waals (vdW) para um gás real. O gás de vdW como um primeiro modelo para a transição de fase líquido-gás. Análise das isotérmicas de vdW e a construção de Maxwell. Ponto crítico e principio dos estados correspondentes. A equação de Clausius-Clayperon. A termodinâmica para além do gás ideal: a barra elástica, superfície líquida e sistemas magnéticos. 2.6 A terceira lei da termodinâmica. As diferentes formulações da terceira Lei. Consequências da terceira Lei. III. Teoria cinética dos gases 3.1 A distribuição de Maxwell-Boltzmann. Revisão de conceitos chave de probabilidades e estatística. Introdução à teoria cinética dos gases. Cálculo de distribuição da velocidade e do módulo da velocidade. Cálculo do valor médio do modulo da velocidade e energia cinética média do gás ideal. 3.2 Propriedades dos gases. Uma visão molecular da energia e da pressão. Dedução teórica da equacção dos gases perfeitos via teoria cinética. O conceito de secção transversal de colisão. Cálculo do tempo médio de colisão e do livre percurso médio.