Fundamentos de Termodinâmica

FSC-5303

só um divisor

Ementa

Primeira Lei da Termodinâmica. Entropia. Estabilidade e Segunda Lei da Termodinâmica. Aplicações (motores e refrigeradores): ciclos Otto, Diesel, Stirling e refrigeradores. Potenciais termodinâmicos (interpretação física e estabilidade). Terceira Lei da Termodinâmica. Transições de Fase (primeira ordem e contínuas).

Objetivos

Estudar as leis básicas da termodinâmica relativas aos estados de equilíbrio dos sistemas físicos. Determinar as condições para os estados de equilíbrio através da minimização de potenciais termodinâmicos apropriados. Calcular o rendimento máximo de processos cíclicos. Determinar as condições de estabilidade termodinâmica. Estudar o comportamento das propriedades termodinâmicas nas transições de fases. Preparar o estudante para estudos mais avançados em física, especialmente mecânica estatística e termodinâmica fora do equilíbrio.

Programa

  1. Primeira Lei da Termodinâmica:
    • O princípio de conservação da energia.
    • Trabalho.
    • Calor.
    • Equilíbrio térmico.
    • Energia interna de um sistema.

  2. Segunda Lei da Termodinâmica:
    • Temperatura.
    • Ciclo de Carnot.
    • Definição de entropia.
    • Integral de Clausius.
    • Gás ideal.
    • Coeficientes termodinâmicos:
      • Capacidade térmica.
      • Coeficiente de expansão térmica.
      • Compressibilidade.
    • Princípios da máxima entropia e da mínima energia.
    • Estabilidades térmica e mecânica.
    • Enunciados da Segunda Lei da Termodinâmica.
    • Processos espontâneos e teorema do trabalho máximo.
    • Máquinas Térmicas e Refrigeradores.
    • Ciclos Otto, Diesel e Stirling.
    • Máquinas Endoreversíveis.

  3. Potenciais Termodinâmicos:
    • Representações da energia e entropia.
    • Extensividade.
    • Transformações de Legendre e potenciais termodinâmicos.
    • Princípios de mínimo para potenciais termodinâmicos: Helmholtz, Gibbs e entalpia.
    • A equivalência entre as representações.
    • Relações de Maxwell.
    • Aplicações: gases ideal e de van der Waals, expansão livre, processo de Joule-Thomson.

  4. Terceira lei da Termodinâmica:
    • Postulados de Nernst e Planck.
    • Capacidades térmicas em baixas temperaturas.
    • Inacessiblidade do zero absoluto de temperatura.

  5. Transições de Fases:
    • Transições de fases de primeira ordem.
    • Diagrama de fases.
    • Equação de Clausius-Clapeyron.
    • Gás de van der Waals e construção de Maxwell.
    • Ponto crítico.
    • Parâmetro de ordem e expoentes críticos.
    • Teoria de Landau das transições de fases.

Metodologia

O curso será desenvolvido através de aulas expositivas e de resolução de problemas e terá atendimento extra-classe dado pelo professor da disciplina para dirimir dúvidas.

Sistema de avaliação

A média final será calculada pela média aritmética das $3$ provas parciais. O aluno que alcançar média final ($MP$) igual ou superior a $3,0$ e inferior a $6,0$ ($3,0\le MP<6,0$), com frequência suficiente, poderá realizar uma prova de recuperação:

  1. Envolvendo todo o conteúdo da disciplina:
    • A nota final será obtida pela média aritmética entre a média das notas das avaliações parciais e a nota obtida na prova de recuperação, conforme estabelece o art. 71, parágrafo 3° da Resolução 017/Cun/97 de 06/10/97.
  2. Com o conteúdo de uma das provas parciais:
    • A prova a ser recuperada será, então, escolhida pelo aluno. A nota desta prova substituirá a prova parcial selecionada. Após, a média final será calculada, neste caso, pela média aritmética das três provas parciais.

Bibliografia

  1. M. J. de Oliveira, Termodinâmica, Editora Livraria da Física, São Paulo, 2005.
  2. H. B. Callen, Thermodynamics and an introduction to thermostatics, 2nd edition, John Wiley and Sons, New York, 1985.
  3. Jesus Biel Gaye, Formalismo y métodos de la Termodinámica Vol 1 e 2, Editora Reverté, Barcelona
  4. H. M. Nussenzveig, Curso de Física Básica, vol. 2, Ed. Edgard Blücher, Ltda., São Paulo, 1983.
  5. M.W. Zemansky and R. H. Dittman, Heat and Thermodynamics, An Intermediate Textbook, McGraw-Hill, New York, 7th edition, 1996.