Termodinâmica e Transferência de Calor

Código:

EIG0019

Sigla:

TTC

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Fluidos e Calor

Ocorrência: 2014/2015 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Secção de Fluidos e Energia
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado em Engenharia e Gestão Industrial

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
MIEIG	134	Plano de estudos oficial a partir de 2006/07	3	-	7	70	189

Língua de trabalho

Português

Objetivos

Num mundo onde a energia é um bem cada vez mais escasso e caro, é fundamental para um engenheiro industrial possuir um sólido conhecimento da termodinâmica para que possa tomar decisões informadas nesta área. Os alunos devem, portanto, conhecer o funcionamento dos ciclos termodinâmicos de vários motores térmicos e máquinas de refrigeração, bem como serem capazes de realizar cálculos básicos de transferência de calor. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Esta unidade curricular visa proporcionar aos alunos um conhecimento sólido na área de termodinâmica e de transferência de calor, bem como algum treino em trabalho em equipa, através da realização de projetos térmicos de equipamentos diversos, utilizando os conhecimentos da termodinâmica e transferência de calor adquiridos neste curso. 

Resultados de aprendizagem e competências

No final deste curso os alunos deverão ser capazes de: CÁLCULOS BÁSICOS DE ENGENHARIA. Definir, calcular e estimar propriedades, ou variações de propriedades, de substâncias ou de sistemas incluindo entalpia, energia interna, entropia, massa volúmica, caudal mássico, pressão e temperatura. CÁLCULOS TERMODINÂMICOS E PRIMEIRA LEI. Definir e calcular trabalhos de aceleração e elevação de massas, trabalhos de deslocamento de fronteiras, eléctrico e de veio. Definir e calcular calores e trabalhos trocados em sistemas fechados, abertos em regime estacionário e abertos em regime instacionário. APLICAÇÕES DA SEGUNDA LEI. Cálculos de rendimentos de motores térmicos e máquinas frigoríficas ideais. Definir e calcular rendimentos de diversos dispositivos de conversão de energia. Definir e calcular rendimentos isentrópicos de dispositivos motrizes de escoamento estacionário. CICLOS DE POTÊNCIA E REFRIGERAÇÃO. Representar graficamente os ciclos e calcular o seu rendimento/eficiência com diferentes graus de realismo. TRANSFERÊNCIA DE CALOR. Realizar cálculos de transferência de calor por condução em superfícies planas, cilíndricas ou esféricas ( outras configurações comuns), simples ou compostas, com os dados sobre convecção e radiação sendo disponibilizados sempre que não se possam calcular de forma simples. COMPUTAÇÃO. Utilizar o programa EES na resolução de problemas de balanços de energia e outras aplicações da termodinâmica. TRABALHO DE EQUIPA. Trabalhar efectivamente em equipa na resolução de problemas e realizar avaliações cuidadas do desempenho dos membros da equipa.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Os estudantes deverão possuir conhecimentos inerentes às seguinte unidades curriculares, ou equivalentes: EM0009: cálculo diferencial em R., cálculo integral em R. EM0010: derivadas parciais; derivadas parciais de ordem superior, EIG0004: Fundamentos de circuitos elétricos,  análise de redes de resistências. EM0014: Introdução à mecânica vetorial aplicada à estática e apresentação dos conceitos de força, momento e resultante de um sistema de forças. Equilíbrio estático em sistemas bi e tri dimensionais. Definição do sistema e seu diagrama de corpo livre. EIG0020: análises de tensões: conceito de tensão, equações de equilíbrio.

Programa

INTRODUÇÃO E VISÃO GLOBAL: Termodinâmica; transferência de calor; mecânica dos fluidos; unidades e dimensões; software para engenharia, programa EES; exactidão, precisão e algarismos significativos. CONCEITOS BÁSICOS DE TERMODINÂMICA: sistemas abertos e fechados; propriedades de um sistema; estado de equilíbrio; processos e ciclos; formas de energia; temperatura e a lei zero da termodinâmica; pressão; o manómetro; barómetro e a pressão atmosférica. PROPRIEDADES DAS SUBSTÂNCIAS PURAS: Substância pura; fases de uma substância pura; processos de mudança de fase para substâncias puras; diagrama de propriedades para processos de mudança de fase; pressão de vapor e equilíbrio de fase; tabelas de propriedades; equação de estado de gases perfeitos; factor de compressibilidade; calores específicos; energia interna, entalpia e calores específicos de gases perfeitos e de sólidos e líquidos. TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA POR CALOR, TRABALHO E MASSA: transferência de calor; transferência de energia sob a forma de trabalho; formas mecânicas de trabalho;formas não mecânicas de trabalho; princípio de conservação de massa; trabalho de escoamento e energia de um fluido a escoar. PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA: primeira lei da termodinâmica; balanço de energia para sistemas fechados; balanço de energia para sistemas de escoamento estacionários; alguns equipamentos de escoamento estacionário da engenharia; balanço de energia para processos de escoamento não estacionário. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: Introdução à segunda lei da termodinâmica; reservatórios de energia térmica; motores térmicas; rendimentos de conversões de energia; máquinas frigoríficas e bombas de calor; máquinas de movimento perpétuo; processos reversíveis e irreversíveis; ciclo de Carnot; princípios de Carnot; escala de temperatura termodinâmica; motor térmico, frigorífico e bomba de calor de Carnot. ENTROPIA: Entropia; princípio do aumento de entropia; variação de entropia de substâncias puras; processos isentrópicos; diagramas de propriedades que envolvem a entropia; equações Tds; variação de entropia de sólidos - líquidos e de gases perfeitos; trabalho reversível em regime permanente; rendimentos isentrópicos de dispositivos de escoamento estacionário. CICLOS DE POTÊNCIA E REFRIGERAÇÃO: Considerações básicas na análise de ciclos de potência; O ciclo de Carnot e o seu valor na engenharia; suposições ar-standard; visão global dos motores alternativos; o ciclo Otto; o ciclo Diesel; o ciclo Brayton; o ciclo Brayton com regeneração; o ciclo a vapor de Carnot; o ciclo de Rankine; desvios dos ciclos de potência reais a vapor relativamente aos ciclos ideais; como aumentar o rendimento do ciclo de Rankine; ciclo de Rankine ideal com reaquecimento; frigoríficos e bombas de calor; ciclo de Carnot invertido; ciclo frigorífico ideal de compressão de vapor; ciclo frigorífico real de compressão de vapor; sistemas de bomba de calor. MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR: condução; convecção; radiação; mecanismos simultâneos de transferência de calor. CONDUÇÃO ESTACIONÁRIA DE CALOR: condução estacionária de calor em paredes planas; resistência térmica de contacto; redes de resistências térmicas generalizadas; condução de calor em cilindros e esferas; raio crítico de isolamento; transferência de calor em configurações comuns. CONDUÇÃO TRANSIENTE DE CALOR: análise de sistema global, condução transiente de calor em grandes paredes planas, cilindros longos e esferas com efeitos espaciais,  condução transiente de calor em sólidos semi-infinitos,  condução transiente de calor em sistemas multi-dimensionais.

Bibliografia Obrigatória

Yunus A. Çengel e Robert H. Turner; Fundamentals of thermal-fluid sciences , McGRAW-HILL, 2005
P. M. Coelho; Tabelas de termodinâmica, Feup Edições, 2007

Bibliografia Complementar

Paulo Pimentel de Oliveira; Fundamentos de Termodinâmica Aplicada, análise energética e exergética, Lidel, 2012. ISBN: 978-972-757-903-7
Clito Afonso; Termodinâmica para a Engenharia, FEUP Edições, 2012. ISBN: 978-972-752-143-2

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Aulas teóricas para apresentação dos conceitos fundamentais. Aulas práticas para a resolução de exercícios de aplicação da matéria apresentada nas aulas teóricas. Trabalhos de grupo aplicando as técnicas da aprendizagem colaborativa sugeridas pelo Prof. Richard M. Felder.

Software

EES - Engineering Equation Solver

Palavras Chave

Ciências Tecnológicas > Engenharia > Engenharia mecânica

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída sem exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	50,00
Teste	25,00
Trabalho escrito	25,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	100,00
Frequência das aulas	70,00
Total:	170,00

Obtenção de frequência

Normas Gerais de Avaliação. Artigo 4° - Frequência 1. Um estudante obtém frequência a uma unidade curricular se, tendo estado regularmente inscrito, não exceder o número limite de faltas (25% do número de aulas práticas e teórico-práticas previstas) e cumprir as condições expressas na ficha de unidade curricular. 2. Em qualquer altura do período lectivo, cada estudante tem direito a ser informado sobre a sua situação em matéria de assiduidade e, quando aplicável, o grau de satisfação dos objectivos da unidade curricular. 3. Estão dispensados de frequência: a) Os estudantes militares. b) Os trabalhadores-estudantes. c) Os estudantes que tenham obtido frequência no ano lectivo anterior. d) Os estudantes que cumpram outros critérios de dispensa de frequência, obrigatoriamente constantes da ficha de unidade curricular. 4. Os estudantes serão obrigatoriamente informados acerca da obtenção de frequência até 3 dias úteis antes do início efectivo do período de exames definido no número 3 do Artigo 6° - Exames.

Fórmula de cálculo da classificação final

Trabalho individual de aplicação do programa EES - com um peso na nota final de 7%. Trabalhos em equipa a realizar ao longo do semestre com um peso na nota final de 18%. Teste sobre a matéria lecionada até ao capítulo 5 inclusive - com um peso na nota final de 25%. Teste - com um peso na nota final de 50% abrangendo a restante matéria. Recurso - com um peso na nota final de 75% sendo os restantes 25% provenientes da ponderação às classificações do trabalho prático e dos trabalhos de grupo. As classificações dos trabalhos de grupo e do trabalho individual só serão consideradas se a média ponderada das classificações do teste e do exame, ou a classificação do recurso, for superior a 10 valores. Por outras palavras, se não passarem nos exames não passam à cadeira. Nas equipas cuja classificação média de todos os seus elementos, no teste ou no exame, seja superior em 1.5 valores à média de curso provisória do grupo, valor médio, terão um bónus de 5% na classificação desse mesmo teste ou exame.

Provas e trabalhos especiais

Para os estudantes dispensados de frequência será obrigatório a realização de um exame sobre a globalidade da matéria, com um peso na nota final de 85%; um trabalho individual de aplicação do programa EES, com um peso na nota final de 15%. A classificação do trabalho individual só será considerada se a classificação no exame, for superior a 10 valores. Por outras palavras, se não passarem no exame não passam à unidade curricular.

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Ver "provas e trabalhos especiais"

Melhoria de classificação

A melhoria de classificação será efetuada através do exame de recurso, abrangendo este toda a matéria e com um peso na nota final de 75%. A classificação no trabalho prático individual poderá ser melhorada através da realização de um outro trabalho, resolução de um outro problema, mas desta vez na presença do docente e num período de tempo não superior a hora e meia. A classificação dos trabalhos de grupo poderá ser melhorada mediante a realização de um outro trabalho de grupo mas desta vez sem interação com o docente.

Observações

Os exames serão realizados sem consulta, podendo no entanto cada estudante consultar um conjunto máximo de quatro folhas A4 frente e verso com o conteúdo que julgar necessário.

Língua usada: Português