COTIDIANO



- Semana 15 e 16-

Revisão/Exercícios (semana 15 - dedicada principalmente à entropia, semana 16 a exercícios em geral) e fechamento da disciplina.

Acesse o formulário por email ou na pasta compartilhada com as notas.


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Atenção: Provinha 2 - prazo 31/10.
http://bit.ly/tm192-p2 [clique]

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- Semana 14-

O Ciclo de Carnot.

Segunda Lei - Espontaneidade, reversibilidade e Entropia.

Exercícios - Cálculo de variação de entropia, e entropia na tabela termodinâmica

Desigualdade de Clausius e a entropia crescente do universo.

Entropia e desordem (microestados).

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Para a prova de que Q=0 no processso (gamma = cp/cv) adiabático ver por exemplo este link do material do Nestor/UFRGS [clique]

Para o teorema de Carnot pode começar explorando por aqui [clique]

Para uma prova da desigualdade de Clausius ver por exemplo este link do material do Stenio/UFRJ [clique]


- Semana 13-

Balanço de energia em Máquinas térmicas, refrigeradores e aquecedores.

Rendimento e Coeficiente de Performance (COP).

Exercícios

Segunda Lei da Termodinâmica (Enunciados Kelvin-Planck e Clausius)

Ciclo de Carnot e temperatura absoluta: Q_F/Q_Q = T_F/T_H

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*Slides de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]



Atenção - APS: Cadastre seu grupo e pesquise um protótipo de motor de Stirling que seja realizável.
http://bit.ly/tm192-aps [clique]
Prazo de cadastro: 4/outubro.

Prazo de entrega: relatório, vídeo e selfie do experimento: 5/novembro.

- Semana 11 e 12 -

Cálculo da mistura de líquido e vapor saturado: Título. Exercícios.

Interpolação nas tabelas termodinâmicas.

Energia interna e entalpia em tabelas de substância saturada.

A válvula de estrangulamento (refrigeradores): balanço de energia no fluxo de massa.

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Slides de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]

Link para Tabelas Termodinâmicas (água) [clique aqui].

Atenção: quarta lista de exercícios - tabelas termodinâmicas (cálculo da transição líquido/vapor no interior do domo de saturação de substâncias puras);

Atenção: quinta e última lista de exercícios on line (válvula de estrangulamento) e máquinas térmicas;


- Semana 9 e 10-

Balanço de energia em sistemas fechados. Exercícios.

Sistemas abertos (Volumes de controle): Fluxo de massa e de volume para gases em regime permanente.

Cálculo do estado termodinâmico e balanço de energia em volumes de controle em processos adiabáticos.

Bocais e difusores; Turbinas e compressores (ver vídeos); válvulas de estrangulamento.

*Devido à ocorrência de mudança de fase, por exemplo nas válvulas de estrangulamento dos refrigeradores e mesmo em turbinas (quando as quedas de pressão e temperatura podem ser significativas) - então é necessário controlar o estado termodinâmico com mudança de estado físico (cálculo dentro do Domo de saturação, tabelas de vapor saturado-líquido saturado) - próximas aulas, para finalizarmos o estudo de volumes de controle. Antes ao último assunto: máquinas térmicas e a segunda lei da termodinâmica.

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Lista 3 - Fluxo de massa, volume e balanço de energia em volumes de controle disponível.


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Atenção: Provinha 1 - prazo 27/09.
http://bit.ly/tm192-p1 [clique]

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- Semana 6, 7 e 8 -

Experimento de medida da Constante R dos gases.

Adequação do modelo de gás ideal: universalidade (diferentes substâncias com comportamento equivalente) do grafico Pv/RT graficados para P/Pc e T/Tc.

Trabalho realizado por/sobre um gás ideal no diagrama PV.

Energia interna.

Conservação da Energia : Primeira Lei da Termodinâmica.

Transformações e ciclos: representação e cálculo no diagrama. Cálculo em processos isobáricos, isocóricos, isotérmicos, adiabáticos (politrópicos em geral).

Calores específicos a volume e pressão constante. Entalpia.

Sumário e compreensão geral de uma máquina térmica (motor x refrigerador) no diagrama PV. Os ciclos Diesel, Otto, Stirling e Carnot (análise qualitativa dos processos no diagrama).

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-Slides de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]

- Atenção: Lista 2, disponível (desde a semana 6 - 10/09).

- Processos politrópicos (generalização) [clique]

- Semana 5-

Modelo dos Gases ideais - Leis de Boyle (1662), Charles-Gay Lussac (1802) e Avogadro (1811) => Equação de Clapeyron (1834). Exercícios.

Comentários sobre mol, massa molar e número de Avogadro.

Exercícios e interpretações com a Lei dos gases - Pv = R'T.

Tabelas termodinâmicas - a grande compilação experimental.

Testes de adequação do Modelo de gás ideal (tabela versus lei dos gases - comparações de volume) - região apropriada do diagrama de fases (fora do dolmo de saturação e longe do ponto crítico).

Comentário sobre o modelo microscópico (ver teoria cinética abaixo) e porque o erro na determinação do volume é sempre para mais (modelo não inclui interação intermolecular).

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Modelo microscópico: teoria cinética dos gases [clique] - derivação da lei de Clapeyron a partir de modelo mecânico microscópico. kB NA = R

*Slides de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]


- Semana 4-

Fervendo água à temperatura ambiente -- pressão externa baixa. Experimento da seringa.

Pressão: Barômetro - experimento de Torricelli (coluna de mercúrio). Pressão do ar versus pressão na água - conhecimento anterior: Fórmula de Stevin e independência da forma da coluna.

Pressão: Manômetro.

Fim da introdução: Sistemas termodinâmicos, equilíbrio termodinâmico. Lei zero da termodinâmica (para um resumo [clique], ou assista [clique]).

Variáveis termodinâmicas. Mudanças de fase. Introdução aos diagramas de fases.

A diferença entre vapor e gás.

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*materiais de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]


- Semana 3-

Cadeias de transformação* - Contabilidade Energética. (Hidrelétrica x Usina térmica - comparação com ordens de grandeza). Energia Hidraulica - Modelo ideal de Bernoulli [clique]; Energia térmica em queima de combustíveis: Entalpia de reação com O2 [clique]

Calorimetria (Aquecimento e mudança de fase) - Calor específico,c - (dQ = mcdT) e Calor Latente, L - (dQ = mL)**

Natureza do calor*: movimento; Comentário sobre experimento do conde Rumford e o experimento de Joule. Joule: 1cal = 4,2J. Resumo breve do experimento [clique])

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*Slides de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]

**Experimento caseiro sobre calor latente da água pode ser acessado em http://bit.ly/expLgelo191 [clique aqui]

Lista de exercícios para treino (Lista 1), disponível.

- Semana 2-

Escalas termométricas.

Temperatura, calor e movimento. Natureza do calor e mecanismos de transporte (condução, convecção e irradiação). Visão microscópica da temperatura e fenômenos térmicos relacionados.

Temperatura: agitação (movimento) molecular. Calor: propagação/partilhamento progressivo do movimento molecular.

O emprego do modelo atomístico/molecular (modelo microscópico) para explicação qualitativa.

*Dilatação térmica
*Líquidos mais voláteis reduzindo mais temperatura de termômetros.
*Mudança de estado físico (por aquecimento)

Escala absoluta de temperatura: existência de um zero absoluto - experimento com gases nobres (modelo: gás ideal). Hélio líquido. Recordes de baixas temperaturas.

Energia e a contabilidade de movimento. Tipos de energia. Energia e movimento: cinética (movimento em si) + potencial (interação). Cadeias de transformação de energia. Usinas de energia modernas.

Calor: "energia térmica em trânsito"

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materiais de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]

- Semana 1-

Introdução à disciplina.
Elementos históricos: da máquina de Heron de Alexandria - séc. I (DC) - à Primeira Revolução Industrial séc. XVIII e daí ao séc XIX. A evolução da técnica e da ciência. Discussão sobre o funcionamento de máquinas térmicas.

A tecnologia dos Termômetros. Temperatura: Dilatação térmica linear - proporcionalidade.

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materiais de apoio - bit.ly/tm192-mat [clique]

BIBLIOGRAFIA

[1]. ÇENGELYunus A.; BOLES, Michael A (Coaut. de). Termodinamica. 5. ed. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 2007. 740 p., il. +. ISBN 8586804665 (broch.)

[2]. SONNTAG, r. E., borgnakke, c., van wylen, g. J.Fundamentos da termodinâmica, 7a ed., editora edgard blucher, 2009

[3]. MORAN, m. J.; shapiro, h. N.Princípios de termodinâmica para engenharia, 6a ed., ltc editora, 2009.

MATERIAL EXTRA

Joule: o equivalente mecânico do calor.

* Se quiser ver os trabalhos originais associados ao estabelecimento da natureza do calor:

Conde Rumford [clique].

James P. Joule [clique].

* Trabalho sobre dificuldades de reproduzir o experimento de Joule [clique]




LISTAS

Lista 1 [clique]

Assunto: Introdução;
upload - 20/8, 16h20.

Lista 2 [clique]

Assunto: Gases; Balanço de energia em sistemas fechados;
upload - 10/09, 15h30.

Lista 3 [clique]

fluxo de massa, volume e balanço de energia em volumes de controle.
upload - 01/10, 16h00.

Lista 4 [clique]

Mudança de fase em substâncias puras (líquido saturado - vapor saturado - vapor superaquecido).
upload - 15/10, 14h00.

Lista 5 [clique]

Balanço de energia em volumes de controle (válvula de estrangulamento), máquinas térmicas, refrigeradores, aquecedores e segunda lei.
upload - 22/10, 15h00.

MULTIMÍDIA

Quando quiser legendas ative o recurso no youtube.

Semana 13 e 14)

Entropia e espontaneidade


Entropia e multiplicidade nos microestados - "desordem"

Outro vídeo a respeito da distribuição de microestados e a entropia [clique]

E já que falamos sobre aleatoriedade esses dois vídeos clássicos criados no encontro de dois famosos canais (Vsauce e Veritassium) ficam de sugestão:

1) o que é aleatório [clique];

2) o que não é aleatório [clique];


Ordem e desordem - 2a. parte do documentário da BBC. Entropia e informação.


Semana 11 e 12)

Fenômenos de transição de fase já foram estudados nas semanas 3 e 4.

Refrigerador esquemático


Como funciona um refrigerador (vídeo com mais detalhes técnicos dos refrigeradores modernos)


O estrangulamento e o abaixamento da temperatura (processo Joule- Thomson). A queda na pressão (entre dentro e fora do pneu) é evidente.


Expansão adiabática e a redução da temperatura


Semana 9 e 10)

Como funcionam turbinas


Como funcionam compressores


Um interessante experimento quantitativo sobre forma de lâminas e sua eficiência


A origem da força de lift em aerofólios e asas (mesmo formato das lâminas nas turbinas)
Explicação semelhante (mais rápida) comentada pelo Derek (Veritassium) junto com o OneMinutePhysics [clique]

Já que falamos em hidrodinâmica e forças de sustentação... cheque isso também do Derek (Veritassium)[clique]


Semana 5 a 8)

Exemplo de protótipo de motor de Stirling


Máquinas térmicas de Stirling


O ciclo de Otto versus Diesel


O ciclo de Otto (motor a gasolina / 4 tempos) em uma animação


Ciclos: Motor a combustão interna.


Experimento: Determinando a constante dos gases (exp. com H2)


Modelo microscópico do gás ideal


Semana 4)


Vaporizando água à temperatura ambiente: seringa


Paradoxo Hidrostático


Barômetro de Torricelli


Pressão: manômetro simples


Manômetro Bourbon


Sublimação do gelo (sólido para vapor)
Para ver a transição vapor para sólido, há este famoso experimento feito em lugares muito frios [clique].


Ponto triplo - H2O
No ponto triplo temos as três fases (sólido, líquido e vapor) coexistindo (ocorrendo) simultaneamente, pequenas variações fazem um ou outro domínio ser predominante por alguns instantes, mas o sistema torna a exibir os demais depois.


Ponto crítico - CO2
A partir do ponto crítico não há a separação de fase entre os domínios de líquido e vapor saturados (região interna ao domo de saturação dos diagramas TV e PV, que corresponde às linhas de separação no diagrama PT). O fluido no ponto crítico simplesmente se torna uniforme sem a separação entre as fases líquida e de vapor. A partir disso dizemos que temos apenas gás.


Vapor superaquecido versus vapor saturado


Semana 3)


O experimento de Joule e o trabalho de William Thomson.


Experimento: temperatura durante aquecimento e mudanças de fase
Durante a mudança de fase a tempertura de uma substância se mantém constante. Obs: na transição sólido/líquido (fusão) a inomogeneidade da distribuição da temperatura no interior do recipiente é maior e é comum que o termômetro exiba flutuações a essa regra.


Semana 2)


Transferência de Calor: condução; convecção e radiação



Experimentos: reduzindo a temperatura de termômetros pela vaporização - roubando energia térmica com a saída de moléculas.

Modelo microscópico dos estados físicos da água.
Lembre-se (complemento do curso de eletricidade): Força entre as moléculas é de natureza eletrica (com influência do magnetismo intrínseco dos elétrons e átomos, portanto eletromagnética) - o arranjo espacial depende ainda de particularidades da estrutura da matéria, arranjo relativo entre elétrons e núcleos, e das propriedades curiosas dos elétrons na escala molecular (descritas pela Mecânica Quântica).


Experimento: determinando o zero absoluto (experimento rudimentar) pela redução do volume (pressão constante sobre o gás)


Estimando a temperatura zero -
O experimento faria mais sentido em um "gás ideal" (zerar a pressão seria parar o gás completamente, o gás ideal não apresenta transições de fases).


Baixas temperaturas -
Hélio líquido e a fase superfluida, quando passa a exibir viscosidade zero e passa a escalar as bordas do recipiente ou jorrar por um capilar.


O próximo recorde de temperatura - experimento Cold Atom Laboratory (ISS).
Página da Nasa sobre o experimento.


Energia - documentário BBC


Semana 1)
Aeolípia - Herão de Alexandria (10 AC - 70 AC)
Uma realização caseira - disponível aqui


Máquina de Newcomen (1712) - bomba
A máquina original, que está no museu Henry Ford - disponível aqui


Protótipo de uma máquina de Stephenson (1781 - 1848)
Análise (pistão, válvula e bielas) - disponível aqui


A construção de termômetros industriais


Celsius não inventou a escala Celsius

Prof. Rodrigo Ramos - Segundo Semestre / 2019