Disciplina Curricular
Termodinâmica e Teoria Cinética TTCin
Licenciatura Bolonha em Química - 5_Plano 2015/16 a 2018/19
Peso
6.0 (para cálculo da média)
Objectivos
Este curso oferece uma introdução à física térmica focando-se na termodinâmica e na teoria cinética dos gases. A apresentação da matéria é lógica e compacta, e a aprendizagem e racionalização dos conceitos nucleares discutidos nas aulas teóricas é complementada por um extenso conjunto de problemas que são integralmente resolvidos nas aulas teórico-práticas. No final do curso os alunos deverão ser capazes de perceber os princípios fundamentais da termodinâmica bem como a sua estrutura formal.
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.
Métodos de ensino e avaliação
Aulas teóricas, que se dedicam à exposição, discussão e reflexão da matéria, e aulas teórico-práticas que são utilizadas para a resolução e discussão de séries de problemas sobre a matéria dada nas aulas teóricas.Exame final (100%) ou exame final (80%) e ensaio escrito (20%).