Criogenia
Código
10530
Unidade Orgânica
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento
Departamento de Física
Créditos
3.0
Professor responsável
Gregoire Marie Jean Bonfait
Horas semanais
2
Total de horas
28
Língua de ensino
Português
Objectivos
1) Dar conhecimentos gerais sobre o que é a criogenia e a sua importância como “tecnologia fronteira” entre muitas ciências e engenharias como a termodinâmica, a física do estado sólido, a instrumentação, a metrologia, a tecnologia do vácuo, as tecnologias ligadas ao espaço, a medicina, etc.... Os exemplos de utilização da criogenia serão temas de exercícios de aplicação ao longo do semestre.
2) Fornecer ao aluno a capacidade para, em frente de um sistema criogénico, perceber rapidamente os princípios básicos do seu funcionamento. Face a um problema “simples” de criogenia (Sr Engenheiro, queria arrefecer 1 kg de cobre a 80 K, como que se faz ?), o aluno deverá saber, perante os requisitos específicos do pedido (caderno de encargos), propôr soluções adequadas, escolher uma e explicar as razões dessa escolha.
3) Ensinar a fazer uma análise “superfícial” dum problema “simples” de criogenia (Sr Engenheiro, queria arrefecer 1 kg de cobre a 80 K, como que se faz ?), e determinar as principais dificuldades.
4) Saber esboçar um criostato simples assim como um sistema de caracterização básico (temperatura limite, potência frigorífica às várias temperaturas,...) e de teste do sistema.
5) Fazer alguns cálculos simples que permitem ou emitir um diagnóstico ou fornecer as ordens de grandeza envolvidas na concepção de um criostato.
Pré-requisitos
1º ciclo completo de um curso de Engenharia Física ou Mecânica, ou de Física ou cursos similares
Conteúdo
I- Introdução
I-1 Utilização da criogenia: exemplos
I-2 Problemáticas da criogenia
II- Líquidos Criogénicos:
II-1 O meu primeiro criostato: “Criostato de banho” (tipo Banho-maria)
II-2 Líquidos criogénicos (T<100K)
II-3 Caso do hélio 4 e do hélio 3
II-4 Características importantes dos líquidos criogénicos
III- Transferência de calor por radiação
III-1 Lei de Stefan Boltzmann, factores de forma, emissividade dos materiais
III-2 Caso dos ecrãs a temperatura fixa
III-3 Caso dos ecrãs múltiplos ( Multilayer insulation -MLI)
IV- Condução térmica
IV-1 Importância da condução térmica
IV-2 Mecanismo de condução térmica
IV-2-1 Mecanismo de condução nos gases: regime viscoso e molecular
IV-2-2 k= 1/3 Cv v λ
IV-2-3 k(T) dos matériais: the big picture
IV-2-4 Lei de Wiedman-Franz
IV-3 Transferência de calor por condução
IV-3-1 Lei da condução :
IV-3-2 Integral de condução térmica
IV-4 Condução nos gases
IV-4-1 Regime viscoso
IV-4-2 Regime molecular
V- Máquinas térmicas
V-1 Introdução
V-2 Liquefactores
IV-2-1 Expansão isentrópica, expansão JT, temperatura de inversão.
IV-2-2 Liquefactor ideal, primeira lei da Termodinâmica para os sistemas abertos.
IV-2-3 Cálculo de taxa de liquefacção.
IV-2-4 Optimização dos Liquefactores. Caso dos liquefactores de hélio
V-3 Criorrefrigeradores
IV-3-1 Stirling e GMM. PT (?).
IV-3-2 Cálculo do COP.
Componente Laboratorial:
- Medição de resistência eléctrica de elementos metálico, semicondutor e supercondutor, usando azoto líquido como IGNOREe fria.
- Determinação dos vários modos de troca de calor entre uma superfície sólida e o azoto líquido. Efeito Leidenfrost.
- Visitas a laboratórios e/ou instituições utilizadoras da criogenia.
Método de ensino
Aula teórico e exercícios de aplicação.
Método de avaliação
3 ou 4 testes (1 h)
Seminário sobre um tema ligado à criogenia
Aula prática + relatório