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) Fazer alguns cálculos simples que permitem dimensionar ou emitir um diagnóstico ou fornecer as ordens de grandeza envolvidas na concepção de um criostato.

Pré-requisitos

Elementos de termodinâmica (UC: Termodinâmica ou Física II) serão necessários (Energia interna e Entalpia, Capacidade específica, Condução térmica)

Conteúdo

I- Introdução

I-1 Aplicação 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 C_v 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 prática

1. Determinação dos vários modos de troca de calor entre uma superfície sólida e o azoto líquido. Efeito Leidenfrost.
2. Utilização de folha de cálculo e de páginas web para  resolução de problemas frequentes em criogenia (propriedaes gases reais vs gases ideias,  Integrais de condução térmica, Tempo dearrefecimento;; ...)

Bibliografia

The Art of Cryogenics, G. Ventura & L. Risegari, Elsevier 2010

Cryogenic Process Engineering, Klaus D. Timmerhaus, Thomas M. Flynn, Springer

Internet

Apontamentos do prof (slides, notas manuscritas)

 

Método de ensino

Aulas teóricas e exercícios de aplicação.

Em casa: Apresentação na forma de gráficos de dados de criogenia e resolução por cálculos numéricos simples de pequenos problemas típicos de criogenia utilizando folhas de cálculo e dados de páginas web.

Método de avaliação

Cursos

• Biotecnologia
• Engenharia Física
• Engenharia Biomédica