Termodinámica e Teoría Cinética

Unha vez establecidos e discutidos na materia Fundamentos de Termodinámica os fundamentos e o formalismo xeral desta rama da Física, o primeiro obxectivo que se expón para a materia de Termodinámica e Teoría Cinética é que o alumnado alcance a capacidade de aplicar o devandito formalismo ao estudo de diversos sistemas en equilibrio, non só polo interese particular que poidan presentar cada un deles, máis tamén como ilustración tanto da aplicabilidade do método desenvolvido a numerosos problemas prácticos, coma da relación que ten esta parte da Ciencia con experiencias coñecidas e a súa incidencia sobre outras ramas da Física en particular e da Ciencia en xeral.

Un segundo obxectivo céntrase en que o alumnado poida aplicar o formalismo termodinámico a sistemas que se atopen en estados fóra do equilibrio, aínda que non moi lonxe deste. A teoría desenvolvida para a descrición destes procesos coñécese xeralmente como Termodinámica dos procesos irreversibles.

Por último, se ben o carácter fenomenolóxico da termodinámica permite establecer numerosas propiedades dos sistemas físicos sen facer uso de conceptos relativos á estrutura microscópica dos corpos, para un estudo máis completo e profundo de determinados procesos compre recorrer a unha descrición microscópica (molecular ou estatística) dos sistemas. A descrición molecular pretende acadar unha interpretación das propiedades termodinámicas macroscópicas observables a partires da análise do movemento desordenado das moléculas. Esta descrición está suxeita a simplificacións inevitables coma calquera modelo de estrutura da materia. A este método coñéceselle como Teoría cinética dos gases. Por iso, un terceiro obxectivo da materia é introducir ao alumnado no formalismo dos fundamentos desta teoría e a súa aplicación ao gas ideal, o que facilitará unha mellor compresión dos conceptos da materia Física Estatística do seguinte curso.

RESULTADOS DA APRENDIZAXE:
Cursada esta materia os estudantes deberán ser capaces de:
• Aplicar con propiedade os argumentos e métodos da Termodinámica do equilibrio ao estudo de determinados sistemas de interese (gases, transicións de fase, sistemas reactivos, eléctricos e magnéticos,…), con especial énfase nos principios nos que se fundamentan, así como os límites da súa aplicabilidade.
• Aplicar o formalismo termodinámico a sistemas fose do equilibrio.
• Interpretar as propiedades termodinámicas macroscópicas de sistemas gaseosos a partir da análise do movemento molecular.
• Utilizar con destreza o formalismo termodinámico para a análise e a resolución de problemas enmarcados nos citados contextos, aplicando con rigor e creatividade os coñecementos adquiridos.
• Alcanzar un razoamento crítico e de asociación que posibiliten unha aprendizaxe autónoma e continua.

Programa da materia (segundo descritores, https://pro-assets-usc.azureedge.net/sites/default/files/plan/2021-09/F…)

1. GASES IDEAiS
Ecuación térmica de estado do gas ideal
Ecuación calórica de estado do gas perfecto
Transformacións adiabáticas dun gas perfecto
Tranformacións politrópicas dun gas perfecto
Mextura de gases perfectos

2. GASES REAIS
Comportamento dos gases reais. Coordenadas críticas.
Estrangulación adiabática. Coeficiente Joule-Kelvin
Ecuacións térmicas de estado: van der Waals e virial. Outras ecuaciacións térmicas de estado
Lei dos estados correspondentes. Diagramas de compresibilidade xeralizados
Mextura de gases reais

3. TRANSICIÓNS DE FASE
Condicións de equilibrio para sistemas heteroxéneos multicompoñente. Regra das fases de Gibbs
Clasificación das transicións de fase
Transicións de fase de primeiro orde: ecuación de Clausius-Clapeyron
Aplicación da ecuación de Clausius-Clapeyron a sistemas monocompoñente

4. SISTEMAS REACTIVOS
Reaccións químicas. Grado de avance
Calor de reacción
Condicións de equilibrio en sistemas reactivos. Regra das fases
Constante de equilibrio
Principio de Le Châtelier

5. SISTEMAS ELÉCTRICOS E MAGNÉTICOS
Consideracións xerais acerca dos sistemas eléctricos e dos sistemas magnéticos
Ecuacións fundamentais e potenciais termodinámicos para sistemas eléctricos e para sistemas magnéticos
Coeficientes calóricos e coeficientes térmicos para sistemas eléctricos e para sistemas magnéticos
Efectos electrocalórico e magnetocalórico
Superconductividade

6. TERMODINÁMICA DOS PROCESOS IRREVERSÍBEIS
Procesos irreversíbeis
Forzas e fluxos. Postulados da TPI lineal
Ecuacións de balance e de continuidade
Efectos termoeléctricos. Ecuacións fenomenolóxicas

7. TEORÍA CINÉTICA DOS GASES PERFECTOS
Modelo de gas perfecto
Ecuación de estado do gas perfecto
Consecuencias da ecuación cinética do gas perfecto

8. FUNCIÓNS DE DISTRIBUCIÓN
Función de distribución de velocidades
Función de distribución de enerxías.
Principio de equipartición da enerxía
Algunha aplicación da lei de distribución
Verificación experimental da lei de distribución

9. FENÓMENOS DE TRANSPORTE
Frecuencia de colisión
Percorrido libre medio
Transporte de cantidade de movemento. Viscosidade
Transporte de enerxía. Condutividade térmica
Transporte de masa. Difusión

Algunha desta bibliografía atópase dispoñible en formato electrónico a traverso do servizo EZproxy. O profesorado da materia poñerá en coñecemento do alumnado, a traverso da Aula Virtual, a dispoñibilidade de novo material bibliográfico en formato electrónico de libre acceso.

Bibliografía xeral
• BIEL GAYE, J. Formalismo y métodos de la termodinámica. Vol 1 y 2. Ed. Reverté (1997 y 1998)
• CALLEN, H. B. Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. (2ª ed.) Wiley (1985)
• ENGEL, T. y REID, P. Thermodynamics, Statistical Thermodynamics & Kinetics. (4ª ed.) Pearson (2019)
• HÖNIG, J.M. Thermodynamics (4ª ed.) Elsevier (2013)
• KONDEPUDI, D. y PRIGOGINE, I. Modern Thermodynamics (2ª ed.) Wiley (2015) tamén formato electrónico
• LUSCOMBE, J.H. Thermodynamics. CRC Press (2018) formato electrónico.


Bibliografía complementaria
• GARCÍA-COLIN SCHERER, L. Problemario de termodinámica clásica. Trillas (2003)
• COX, H. y McQUARRIE, C.H. Problems and Solutions to accompany D.A. McQuarrie & J. Simon Molecular Thermodynamics. Univ. Science Books (1999)
• LIM, Y.-K. (editor) Problems and Solutions on Thermodynamics and Statistical Mechanics (compilación de problemas de universidades americanas). World Scientific (1990)
• ZAMORA CARRANZA, M. Termo II. 250 ejercicios y problemas .... Serv. Pub. Univ. de Sevilla (1998)

Recursos na rede
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/calor/portada.html
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/transporte/portada.html

Competencias específicas
CE1 - Ter unha boa comprensión das teorías físicas máis importantes, localizando na súa estrutura lóxica e matemática, o seu soporte experimental e o fenómeno físico que pode ser descrito a traverso deles.
CE2 - Ser quen de manexar claramente as ordes de magnitude e realizar estimacións adecuadas co fin de desenvolver unha clara percepción de situacións que, aínda que fisicamente diferentes, mostren algunha analoxía, permitindo o uso de solucións coñecidas a novos problemas.
CE5 - Ser quen de realizar o esencial dun proceso ou situación e establecer un modelo de traballo do mesmo, así como realizar as aproximacións requiridas co obxecto de reducir o problema ata un nivel manexable. Demostrará posuír pensamento crítico para construír modelos físicos.
CE6 - Comprender e dominar o uso dos métodos matemáticos e numéricos máis comunmente utilizados en Física
CE8 - Ser quen de manexar, procurar e utilizar bibliografía, e mesmo calquera fonte de información relevante e aplicala a traballos de investigación e desenvolvemento técnico de proxectos.

Competencias básicas, transversais e xerais
Segundo consta na Memoria de verificación do Grao en Física
CB1 - Que os estudantes teñan demostrado posuír e comprender coñecementos nun área de estudo que parte da base da educación secundaria xeral, e adóitase atopar a un nivel que, aínda que se apoia en libros de texto avanzados, inclúe tamén algúns aspectos que implican coñecementos procedentes da vangarda do seu campo de estudo
CB2 - Que os estudantes saiban aplicar seus coñecementos ao seu traballo ou vocación dun xeito profesional e posúan as competencias que adoitan demostrarse por medio da elaboración e defensa de argumentos e a resolución de problemas dentro da súa área de estudo
CB3 - Que os estudantes teñan a capacidade de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro da súa área de estudo) para emitir xuízos que inclúan unha reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica ou ética
CB4 - Que os estudantes poidan transmitir información, ideas, problemas e solucións a un público tanto especializado como non especializado
CB5 - Que os estudantes desenvolvesen aquelas habilidades de aprendizaxe necesarias para emprender estudos posteriores cun alto grao de autonomía

CT1 - Adquirir capacidade de análise e síntese
CT2 - Ter capacidade de organización e planificación
CT5 - Desenrolar o razoamento crítico

CG1 - Coñecer os conceptos, métodos e resultados máis importantes das distintas ramas da Física, xunto con certa perspectiva histórica do seu desenrolo
CG2 - Ter a capacidade de reunir e interpretar datos, información e resultados relevantes, obter conclusións e mesmo emitir informes razoados en problemas científicos, tecnolóxicos ou doutros ámbitos que requiran o uso de coñecementos da Física
CG3 - Aplicar tanto os coñecementos teóricos-prácticos adquiridos coma a capacidade de análise e de abstracción na definición e formulación de problemas e na procura das súas solucións tanto en contextos académicos como profesionais

a.1) Clases de encerado en grupo grande (expositivas).
Exporanse de xeito deductivo os contidos teóricos de cada tema, complementando o desenvolvemento no encerado co apoio de medios informáticos/audiovisuais e do material dispoñible na aula virtual, como instrumentos de aclaración e de complementariedade.

b.1) Clases de encerado en grupo reducido (interactivas).
Clases fundamentalmente prácticas nas que se resolverán os problemas e exercicios propostos nos boletíns, postos a disposición do alumnado coa suficiente antelación a través da aula virtual. O obxectivo é que o alumnado aplique os coñecementos teóricos adquiridos á resolución de problemas, o que lle vai a axudar a asimilar os contidos desta materia. É fundamental aquí a participación do alumnado, xa que esta participación lle vai permitir realizar parte da súa avaliación continua.

c.1) Titorías en grupos moi reducidos ou individualizadas.
Están orientadas á resolución de dúbidas e dificultades concretas de carácter teórico, conceptual e/ou práctico, prestando unha atención individualizada ao alumnado que o necesite.

O sistema de avaliación consta de dous partes complementarias, ambas de realización obrigatoria para poder obter a máxima cualificación nesta materia, que se detallan a continuación.

1) Avaliación continua (30%)
Esta avaliación basearase tanto no control de asistencia a clases (mínimo de asistencia ás clases presenciais: 60%) como en participación activa nas mesmas, asistencia a titorías individualizadas, realización de diversas actividades tales como pequenas probas escritas individuais realizadas durante as clases (por sorpresa e aleatoriamente), entrega de problemas propostos para a súa resolución, preparación de temas, procuras bibliográficas… e calquera outra actividade complementaria implementada polo profesorado encargado da docencia.

O alumnado repetidor non conserva a cualificación da avaliación continua do curso anterior.

2) Exame final (70%)
Realizarase un exame final presencial, nas datas oficiais de exames fixadas pola Facultade de Física. Este exame estará composto tanto por cuestións teóricas como por exercicios prácticos, co fin de avaliar os coñecementos adquiridos, tanto a súa comprensión como a aplicación dos mesmos. Este exame será cualificado entre 0 e 10.

3) Avaliación global
A nota global/definitiva dos alumnos será a maior entre a nota do exame final e a que resulte de ponderar a nota do exame final con peso do 70% coa nota das actividades complementarias cun peso do 30% restante. Esta ponderación só se fará efectiva no caso de que os alumnos cumpran cos requisitos de asistencia. En todo caso, para superar a materia, o alumno deberá alcanzar no exame final unha cualificación mínima de 4 (sobre 10) e na avaliación global un mínimo de 5 (sobre 10). Se non se alcanzase unha cualificación mínima de 4 no exame final, a cualificación global obtida non poderá ser superior a 4.

Para o caso de realización fraudulenta das actividades incluídas na avaliación individualizada e/o do exame final, será de aplicación a Normativa para a avaliación do rendemento académico dos estudantes e de revisión de cualificacións.

A cualificación será de Non presentado só no caso de que o alumno non se presente ao exame final da materia.

Para a avaliación global relativa á segunda oportunidade, manterase a cualificación obtida na avaliación continua (de ser efectiva) con idénticos condicionantes para a avaliación global que na primeira oportunidade.

TRABALLO PRESENCIAL NA AULA Horas
Clases de encerado en grupo grande 32
Clases de encerado en grupo reducido 24
Titorías en grupos moi reducidos ou individualizadas 4
Total horas traballo presencial na aula 60 (10h presenciais/ECTS)

TRABALLO PERSOAL DO ALUMNO Horas
Estudo autónomo individual ou en grupo 84
Escritura de exercicios ou outros traballos 6
Total horas traballo persoal do alumno 90

Recoméndase participar activamente nas clases, manter ao día o estudo dos contidos impartidos, consultar a bibliografía, resolver os problemas propostos e aproveitar as titorías para resolver dúbidas.

Requisitos previos recomendados: cursar previamente Fundamentos de Termodinámica e Métodos Matemáticos I a IV.