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Academic Year/course: 2021/22

447 - Degree in Physics

26922 - Thermodynamics


Syllabus Information

Academic Year:
2021/22
Subject:
26922 - Thermodynamics
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
447 - Degree in Physics
ECTS:
6.0
Year:
3
Semester:
First semester
Subject Type:
Compulsory
Module:
---

1. General information

2. Learning goals

3. Assessment (1st and 2nd call)

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The teaching-learning methodologies proposed to achieve the objectives set and to acquire the skills are the following:

M1. Lectures: they present the student with the basic theoretical content to achieve the acquisition by the student of the specific competencies associated with CE1, CE2, CE3 and CE6, as defined in the report of verification of the Degree, section 3.2, page 34).

M2. Problem solving: it allows the acquisition of the competencies in concrete cases without the abstraction characteristic of pure theory. (CE1, CE2, CE6).

M3. Laboratory practices: these serve to compare the real world, with its practical limitations, with theory, which describes idealised situations. Also to take into account the limitations imposed by theoretical approaches, which do not always occur in the real world. The specific competencies to be achieved are CE7, CE8 and CE9.

M4. Autonomous works: they allow the assessment of the student, especially with regard to the specific competences CE1, CE2, CE6, and the general competences CG1, CG5, CG8.

M5. Examination of the subject: it allows the assessment of all the competences and objectives of the subject.

4.2. Learning tasks

The program is organized by chapters. Each chapter is structured as follows:

- Lectures: Each chapter is introduced in several lessons, in which the student is introduced to the general contents of the block.

- Practical sessions (problems): problems of application of the contents of the block are solved in class, both by the teacher and the students. Students must submit the assigned problems to the lecturer on the proposed dates.

- Assignment of works: The works are proposed on the contents of each chapter.

The organization by chapters is given in the syllabus of section 4.3.

 

Laboratory practices.

Practice 1: Measure of the vapor pressure of water below 100°C and determination of molar heat of vaporization. Determination of the adiabatic coefficient of air by means of a Flammersfeld oscillator.

Practice 2: Air Stirling cycle as a foundation of thermal machine and refrigerator.

 

The organization of the activities in presence hours is the following, according to the card of the Course 26922 "Thermodynamics", as it appears in the “Plan de ordenación docente” of the Degree:

-T1, Lectures: 40 hours

-T2, Problems: 14 hours

-T3, Laboratory Practice, 5 hours

-T6 and T7 Jobs: 14 hours (non-presential )

-T7 Study: 71 hours (non-presential)

-T8, Assessment: 5 hours (face-to-face: 2 hours exposure + 3 hours exam, non-presential: 5 hours exam, with 30 minutes rest).

Total dedication 6 ECTS credits or a total of 150 hours (classroom and non-classroom) per student in a four-month period. The T1 and T2 activities imply an approximate dedication of 71 hours indicated as "study".

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

  • Topic 1. Historical introduction to thermodynamics.
  • Topic 2. The problem and the postulates.
  • Topic 3. The conditions of equilibrium.
  • Topic 4. Formal relationships.
  • Topic 5. Sample systems.
  • Topic 6. Processes and the maximum work theorem.
  • Topic 7. Thermal engines.
  • Topic 8. Alternatives formulations and Legendre transformation.
  • Topic 9. Thermodynamic potentials.
  • Topic 10. Maxwell relations.
  • Topic 11. Stability of thermodynamic systems.
  • Topic 12. Phase transitions.
  • Topic 13. Properties of material.

4.4. Course planning and calendar

The schedule of the lectures will be as established by the Faculty of Science and will be announced in advance.

There will be 4 hours per week of classroom sessions. Three hours per week will be dedicated to theoretical contents and one to problem solving.

Calendar of laboratory practices: 1 session of 5 hours per student, in turns between the days indicated below.

Starting date: mid-November.

End: last week of December.

Submission of practice report: in January before the end of the class period

Examination dates:

To be decided by the Faculty Board.

4.5. Bibliography and recommended resources

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=26922

 


Curso Académico: 2021/22

447 - Graduado en Física

26922 - Termodinámica


Información del Plan Docente

Año académico:
2021/22
Asignatura:
26922 - Termodinámica
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
447 - Graduado en Física
Créditos:
6.0
Curso:
3
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Obligatoria
Materia:
---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

El principal objetivo de la Termodinámica (etimológicamente, en griego: “estudio de las fuerzas que mueven el calor”)  es el conocimiento de las leyes generales que rigen el comportamiento de la materia como un sistemas formados por un gran número de partículas, como átomos o moléculas, del cual se desprenden los fenómenos térmicos, que son aquéllos en los que hay absorción o emisión de calor.

Se parte de unos postulados fundamentales cuyo fundamento fue establecido históricamente  en el siglo XIX por observación, pero se menciona que la Física Estadística será capaz de demostrarlos (este mismo 3er Curso en el 2º cuatrimestre) a partir de las leyes de la Mécanica que rigen el comportamiento individual de cada partícula, pero estadísticamente, realizando promedios o sumas sobre muchas de ellas.

Según el conocimiento de la Física ya desde principios del siglo XX y en un desarrollo puramente lógico la Termodinámica vendría después del estudio de la Física Estadística y muchos textos la enfocan así. Sin embargo el grado de abstracción de la Física Estadística y la necesidad de un conocimiento de la Física Cuántica para su estudio aconsejan posponerla al estudio de la Termodinámica Clásica. En realidad sólo los postulados requieren una cierta dosis de abstracción y aceptación para ser asimilados, pero una vez aceptados se pueden extraer muchas consecuencias, mediante desarrollos matemáticos relativamente sencillos y con resultados más cercanos a la experiencia intuitiva que en la Física Estadística. Comprendiendo este hecho, la organización del Grado de Física en esta Universidad ha incluido el estudio de la Termodinámica antes que el de la Física Estadística.

Una vez aceptados los postulados básicos en primer lugar  se introduce el concepto de ecuación fundamental de un sistema termodinámico que relaciona todos los parámetros extensivos del sistema (como energía, entropía, volumen y número de partículas en el caso de un gas), sus propiedades y las condiciones exigibles para que esté de acuerdo con los postulados. A continuación se deduce el teorema del trabajo máximo extraíble por una máquina en contacto con focos térmicos. Posteriormente se introducen los potenciales termodinámicos como transformadas de Legendre de la energía o la entropía. Se hace especial hincapié en el significado y las propiedades de la entalpía, energía libre de Helmholtz y energía libre de Gibbs. La igualdad de las derivadas segundas mixtas de los potenciales nos demuestra las relaciones de Maxwell. Se muestra un procedimiento sistemático para deducir las variaciones de cualquier magnitud en un proceso dado usando solamente los datos experimentales más comunes que son la capacidad calorífica, la expansión térmica y la compresibilidad isoterma. Con esto estamos en condiciones de estudiar el comportamiento de la materia en transiciones de fase de Primer Orden, y todo ello se va a aplicar al estudio de la materia particularizando al comportamiento de mezclas de gases, disoluciones y termodinámica de las reacciones químicas. Finalmente se da una introducción a la termodinámica de sistemas fuera del equilibrio y especialmente al estudio de los fenómenos termoeléctricos.

Esta asignatura incide directamente en los tres objetivos generales de la titulación de Graduado en Física:

O1. Proporcionar conocimiento teórico y experimental de los principios generales de la física y de las técnicas e instrumentación de uso más habitual, con hincapié en aquellos aspectos de especial relevancia por su trascendencia conceptual o su visibilidad en el entorno científico,tecnológico y social.

O2. Dotar a los graduados de una formación versátil y polivalente que les capacite para el ejercicio de actividades de carácter profesional en el ámbito científico-tecnológico, incluyendo actividades de investigación, innovación y desarrollo dentro de equipos multidisciplinares.

O3. Capacitar al alumno para seguir con aprovechamiento estudios de grado superior (máster, doctorado, etc.).”(Memoria de la Titulación de Graduado/a en Física, 3.1 Objetivos)"

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

La asignatura 26922 Termodinámica se encuadra dentro del módulo FÍSICA CLÁSICA de la Titulación de Graduado/a en Física. Dicho módulos está formado por asignaturas que corresponden a las cuatro grandes ramas en que se divide tradicionalmente la Física Clásica: Mecánica Clásica, Termodinámica, Electromagnetismo y Óptica. En dicho módulo, las asignaturas 26912 Mecánica Clásica I y 26916 Mecánica Clásica II cubren la primera rama, 26915 Electromagnetismo la tercera, 26923 Óptica la cuarta y 26919 Óndas Electromagnéticass participa de la tercera y de la cuarta. La asignatura que ahora nos ocupa, 26922 Termodinámica cubre la segunda rama, completando el cuerpo de doctrina de la Física Clásica.

Por otra parte está directamente relacionada con la Asignatura del mismo 3er Curso de la Titulación pero del segundo cuatrimestre  26925 Física Estadística, que usa las leyes tanto de la Mecánica Clásica como de la Cuántica y Relativista y queda encuadrada en el módulo Estructura de la Materia. Ya se ha comentado que las leyes fundamentales de la Termodinámica pueden derivarse a partir de la Física Estadística, pero que pedagógicamente es aconsejable estudiar primero aquélla antes que ésta.

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Se recomienda haber cursado las Asignaturas de los cursos 1º y 2º de la titulación u otras de contenido similar, con especial hincapié en:

26900 Fundamentos de Física I (1er Curso, 1er Cuatrimestre) con especial hincapié en las Competencias 8 y 9: Comportamiento de gases ideales y Principios Fundamentales de la Termodinámica.

26914 Ecuaciones Diferenciales (2º curso, 1er cuatrimestre).

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

Conocer y aplicar adecuadamente los postulados de la Termodinámica para obtener las condiciones de equilibrio en sistemas con ligaduras.

Comprender y aplicar la estructura formal de la Termodinámica.

Comprender la asimetría de los procesos termodinámicos y su relación  con el teorema de trabajo máximo.

Utilizar adecuadamente los potenciales termodinámicos.

Comprender las condiciones de estabilidad.

Conocer y estudiar las propiedades térmicas más usuales de la materia.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

Calcular los parámetros de equilibrio para distintas paredes o ligaduras.

Obtener relaciones fundamentales a partir de las ecuaciones de estado y viceversa.

Calcular los rendimientos de diversos dispositivos termodinámicos.

Obtener potenciales termodinámicos de distintos sistemas.

Obtener expresiones termodinámicas a partir de las relaciones de Maxwell.

Obtener las características básicas de una transición de fase discontinua.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

Como ya se ha mencionado la Termodinámica es uno de los cuatro pilares en que se basa la Física Clásica y su estudio constituye un paso imprescindible en el conocimiento de las leyes de la Física, entendidas como las “las reglas del juego” por las que se rige la Naturaleza. Por otra parte, aunque de por sí la Física Clásica es ya una buena aproximación a muchos fenómenos observados, la Termodinámica escapa del marco de la Física Clásica ya que sus postulados básicos, originalmente formulados a partir de la observación, pueden deducirse estadísticamente a partir de las leyes de la Física Moderna, e incluso algunos no pueden de hechos deducirse solamente a partir del Mecánica Clásica (por ejemplo el Tercer Principio).

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluacion

 

Evaluación continua (30%):

Consistirá en la realización de 3 trabajos escritos por  grupos de 2 personas y exposición pública individual durante 15 minutos.  El alumno que no presente o exponga alguno de los tres pasará a ser evaluado mediante prueba global única escrita.

Se evaluará sobre un máximo de 3 puntos.

1. Trabajo sobre las prácticas de laboratorio. Puntuará hasta 2 puntos.

2. Realización y entrega de los problemas propuestos por el profesor a lo largo del curso. Puntuará hasta 1 punto.

 

Examen escrito (70%).

Se tratará de contestar por escrito y sin ayuda de libros, una batería de problemas y preguntas de teoría durante un tiempo aproximado de 3 horas.

La prueba se evaluará sobre un máximo 7 puntos,  que sumados al resultado de la evaluación continua darán la nota final sobre 10. Para superar la asignatura el alumno deberá obtener una nota mínima de 2.8 puntos en el examen escrito y 5 en la calificación final

 

Superación de la asignatura mediante una prueba global única

 

Consistirá en el mismo examen escrito que para los alumnos presenciales (sobre 7) y además otro adicional sobre 3.

El examen adicional:

1. Durará una hora y media.

2. Contendrá una pregunta específicamente sobre las prácticas de laboratorio, que valdrá 2 puntos y una cuestión (pequeño problema) que valdrá 1 punto.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

 

Las metodologías de enseñanza-aprendizaje que se plantean para conseguir los objetivos planteados y adquirir las competencias son las siguientes:

M1. Lecciones magistrales: presentan al alumno los contenidos teóricos básicos para lograr la adquisición por su parte de las competencias específicas asociadas CE1, CE2, CE3 y CE6, tal como están definidas en la memoria de verificación de la Titulación, secc 3.2, pág. 34).

M2. Realización de problemas: permiten la adquisición de las competencias  en casos concretos sin la abstracción característica de la teoría pura. (CE1, CE2, CE6).

M3. Prácticas de laboratorio: sirven para comparar el mundo real, con sus limitaciones prácticas con la teoría, que describe situaciones idealizadas. También para hacerse cargo de las limitaciones que imponen las aproximaciones teóricas, que no siempre se dan en el mundo real.  las competencias específicas a alcanzar son CE7, CE8 y CE9.

M4. Realización de trabajos: permiten la evaluación del alumno, especialmente en cuanto a las competencias específicas CE1, CE2, CE6, y las competencias generales CG1, CG5, CG8.

M5. Examen de la asignatura: permite la evaluación de todas las competencias y objetivos de la asignatura.

4.2. Actividades de aprendizaje

Las actividades docentes y de evaluación se llevarán a cabo de modo presencial salvo que, debido a la situación sanitaria, las disposiciones emitidas por las autoridades competentes y por la Universidad de Zaragoza dispongan realizarlas de forma telemática o semi-telemática con aforos reducidos rotatorios.

El programa se organiza por capítulos. Cada uno de ellos se estructura  siguiente forma:

-        Lecciones magistrales: Cada capítulo tiene una o dos lecciones magistrales, en las que se presentan al alumno los contenidos generales del bloque.

-        Sesiones prácticas (problemas): se resuelven en clase problemas de aplicación de los contenidos del bloque, tanto por parte del profesor como de los alumnos.

-        Trabajos propuestos: Los trabajos se proponen sobre contenidos de cada capítulo.

La organización por temas es la siguiente:

T1.- Introducción Histórica de la Termodinámica.

T2.-  Postulados de la Termodinámica

T3 .- Condiciones de Equilibrio.

T4.- Relaciones Formales.

T5.- Sistemas Ejemplo.

T6.- Procesos y Teorema de Trabajo Máximo.

T7.- Máquinas y Motores Térmicos.  

T8 .- Formulaciones alternativas.

T9.- Potenciales Termodinámicos.

T10 .- Relaciones de Maxwell.

T11. Estabilidad.

T12. Transiciones de Fase.

T13. Propiedades de Materiales.

 

Prácticas de laboratorio.

Práctica 1:  Medida de la presión de vapor del agua por debajo de los 100º C y determinación del calor latente de vaporización. Determinación de coeficiente adiabático del aire mediante un oscilador de Flammersfeld.

Práctica 2: Ciclo de Stirling del aire como fundamento de máquina térmica y refrigerador.

La organización de las actividades en horas presenciales es la siguiente, según la ficha de la Asignatura 26922 “Termodinámica”, tal como figura en el Plan de Ordenación Docente del Grado:

-T1, Lecciones magistrales:  40 horas presenciales

-T2, Problemas:  14 horas presenciales

-T3, Prácticas de Laboratorio,  6 horas presenciales

-T6 y T7 Trabajos:  14 horas, no presenciales

-T7 Estudio: 71 horas no presenciales

-T8, Evaluación: 5 horas (presenciales: 2 horas de exposición + 3 horas examen, no presenciales: 5 horas examen, con 30 minutos de descanso).

 

Dedicación total 6 créditos ECTS o un total de 150 horas (presenciales y no presenciales) por alumno en un cuatrimestre. Las actividades T1 y T2 suponen una dedicación no presencial aproximada de 71 horas indicada como “estudio”.

4.3. Programa

T1.- Introducción Histórica de la Termodinámica.

T2.-  Postulados de la Termodinámica

T3 .- Condiciones de Equilibrio.

T4.- Relaciones Formales.

T5.- Sistemas Ejemplo.

T6.- Procesos y Teorema de Trabajo Máximo.

T7.- Máquinas y Motores Térmicos.  

T8 .- Formulaciones alternativas.

T9.- Potenciales Termodinámicos.

T10 .- Relaciones de Maxwell.

T11. Estabilidad.

T12. Transiciones de Fase.

T13. Propiedades de Materiales.

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

El calendario de las sesiones presenciales será el establecido por la Facultad de Ciencias y será anunciado con anticipación.

Se programarán 4 horas semanales presenciales. Se prevé dedicar 3 horas a la semana para contenidos teóricos y 1 a resolución de problemas en grupo

 

Exposición de problemas realizados.

Durante todo el periodo de clases presenciales, dos exposiciones cada alumno, por turnos a distribuir en  la primera semana de curso.

 

Calendario de prácticas de laboratorio

Realización: 1 sesión de 5 horas por alumno, por turnos entre los días indicados abajo.

Comienzo: mediados de noviembre.

Fin:  última semana lectiva  de diciembre.

Presentación de trabajos de prácticas:  en enero antes de finalizar el periodo de clases

 

Exámenes

A decidir el calendario por la Junta de Facultad.

 

4.5. Bibliografía y recursos recomendados

http://psfunizar10.unizar.es/br13/egAsignaturas.php?codigo=26922