Os sistemas biológicos interagem com o ambiente em que vivem de muitas formas, e uma das principais formas na qual essa interação se dá é pela transmissão de mensagens, de diversas maneiras. A transmissão de mensagens por vias sonoras, em animais, é uma questão muito abordada em muitos estudos por ser uma importante via de comunicação utilizada por diversos tipos de sistemas biológicos. Este trabalho tem como objetivo verificar, pelo viés da Teoria da Informação de Shannon, se através da organização das séries temporais referentes à comunicação é possível observar a diminuição de geração de entropia no sistema nervoso referente ao processamento dos sinais sonoros de comunicação. Para tanto, utilizou-se, como sistemas-modelo, três espécies de anuros, Scinax perpusillus e Hypsiboas faber e Hypsiboas pardalis. Ferramentas de análise não-lineares, como a Entropia Aproximada Volumétrica, Análise de Potência Espectral e Plot de Poincaré, foram utilizados para caracterizar a variabilidade tanto do sinal emitido por um único animal quanto dos sinais trocados entre indivíduos da mesma espécie. Foi verificado que as séries temporais analisadas são altamente variáveis, com os intervalos entre vocalizações sendo descritos por distribuições de Lévy. As séries temporais relativas à interação entre indivíduos da mesma espécie apresentam uma alta variabilidade, porém menor que as individuais. Devido ao controle neural exercido na vocalização em anuros, é possível que a variabilidade apresentada pelas séries otimize o processo de emissão sonora, diminuindo a sobreposição de vocalizações entre indivíduos. A diminuição da variabilidade da interação entre indivíduos pode ser um indicativo da diminuição da geração de entropia no processo de comunicação destes animais. / Biological systems interact with their environment in many forms. The way these interactions occur can be assigned, ultimately, as the transmission of messages. Transmission of messages by sound waves, in animals, is a well studied subject because they are an important way of communication used by many groups. The objective of the present work is to verify whether the central nervous system presents entropy generation minimization in processing communicating sound signals. The approach employed is derived from Shannons Information Theory. The temporal organization of the time intervals between successive vocalizations was the subject of analysis. Recordings of three anuran species, Scinax perpusillus, Hypsiboas faber and Hypsiboas pardalis were used. Non-linear analyses were performed by tools as Volumetric Approximated Entropy, Power Spectrum Analysis and Poincaré Plot in order to address the variability of the signals emitted by a single animal, as well as the signals exchanged among individuals of the same species. The time-series data analyzed present highly variability and can be adequately described by Lévys distributions. The time-series data of the interactions among individuals also present high variability, however such a variability is not as high as the variability of single individuals. The results suggest that the neural system works in a way that reduces the probability of vocalizations overlapping. The reduction in variability of the interactions among individuals is, perhaps, linked to a minimization of entropy generation in the communication process of these animals.

A comunicação entre indivíduos da mesma espécie está presente em todos os táxons conhecidos. Tendo por foco organismos que possuem sistemas nervosos, dado que uma capacidade limitada para processar todos os sinais vindos do ambiente, é interessante supor que, ao longo da evolução, exista uma tendência à minimização do processamento associado com a comunicação de modo a liberar atenção para outros eventos. Como tal minimização pode ser associada a uma diminuição da energia gasta com o processo, podemos levantar a hipótese de que existe, também, uma tendência à minimização de geração de entropia σ, já que esta está diretamente associada com a potência dissipada durante potenciais de ação. O objetivo do presente estudo é testar a hipótese descrita acima. Para tanto, consideramos os organismos envolvidos na comunicação como osciladores descritos por equações diferenciais, e comunicação foi definida pelo acoplamento de tais osciladores. Em um modelo inicial, a freqüência e a fase foram as variáveis de estado, enquanto que, num segundo modelo, foram acrescentadas mais duas variáveis associadas à volição de emitir sinais. A geração de entropia é dada pelo produto do fluxo (i.e., freqüência) pela diferença de potencial (parâmetro de forçamento do oscilador). O cálculo de σ foi realizado para os dois modelos, comparando as situações de osciladores de parâmetros idênticos com aquelas de parâmetros diferentes. Para ambos os modelos, os resultados obtidos indicam que osciladores idênticos minimizam a geração de entropia em relação a sistemas de osciladores com diferentes parâmetros. Tratando, então, os sistemas de osciladores idênticos, analisamos as regiões dos valores de parâmetros que permitem uma maior minimização de σ. Isto ocorre, no modelo inicial, quando o parâmetro de acoplamento de freqüência tende a zero ou ao infinito. Já no modelo final, é minimizada quando os parâmetros associados com a referência interna dos osciladores são bem maiores que as constantes de acoplamento de freqüência. Podemos concluir que a melhor estratégia, em termos evolutivos, para minimizar a geração de entropia numa troca continuada de sinais é manter uma alta semelhança (intraespecífica) entre os animais que se comunicam num dado ambiente. / Communication between individuals of the same species is present in all known taxa. Focusing in organisms that have nervous system, since there is a limited capacity to process all the environmental input, it is interesting to assume an evolutionary trend to minimize the information processing associated with communication in order to redirect attention to other events. As such a minimization may be associated with a reduction in the amount of energy spent in the process, we may put forward the hypothesis that there is, also, a trend to minimize entropy generation (σ), since this is directly associated with power dissipation during action potentials. The objective of this study is to test the above described hypothesis. To this end, we considered the organisms involved in the communication as oscillators described by differential equations, and communication was defined as the coupling between oscillators. In an initial model, the frequency and the phase were the state variables, whereas in a second model we added two more variables associated with the volition to emit signals. Entropy generation is calculated through the product of the flux (i.e., frequency) by a potential difference (a forcing parameter). Computations of σ were performed for both models, and we compared the conditions of identical with those of non-identical parameters of the oscillators. In both models, the results obtained indicate that identical oscillators are those that minimize entropy generation in relation to systems of non-identical oscillators. Within the context of systems of identical oscillators, we analyzed the regions of the parameters that allow for a further minimization of σ. In the first model, such a minimization occurs when the parameter of frequency coupling tends either to zero or to infinite. In the second model, σ attains minimal values when the parameters associated with internal references of the oscillators are significantly higher than those associated with frequency coupling. We are lead to the conclusion that the best strategy, in evolutionary terms, to minimize the entropy generation in a long-lasting exchange of signals is to keep a high similarity (intra-specific) between the animals that communicate in a given environment.

A comunicação entre indivíduos da mesma espécie está presente em todos os táxons conhecidos. Tendo por foco organismos que possuem sistemas nervosos, dado que uma capacidade limitada para processar todos os sinais vindos do ambiente, é interessante supor que, ao longo da evolução, exista uma tendência à minimização do processamento associado com a comunicação de modo a liberar atenção para outros eventos. Como tal minimização pode ser associada a uma diminuição da energia gasta com o processo, podemos levantar a hipótese de que existe, também, uma tendência à minimização de geração de entropia σ, já que esta está diretamente associada com a potência dissipada durante potenciais de ação. O objetivo do presente estudo é testar a hipótese descrita acima. Para tanto, consideramos os organismos envolvidos na comunicação como osciladores descritos por equações diferenciais, e comunicação foi definida pelo acoplamento de tais osciladores. Em um modelo inicial, a freqüência e a fase foram as variáveis de estado, enquanto que, num segundo modelo, foram acrescentadas mais duas variáveis associadas à volição de emitir sinais. A geração de entropia é dada pelo produto do fluxo (i.e., freqüência) pela diferença de potencial (parâmetro de forçamento do oscilador). O cálculo de σ foi realizado para os dois modelos, comparando as situações de osciladores de parâmetros idênticos com aquelas de parâmetros diferentes. Para ambos os modelos, os resultados obtidos indicam que osciladores idênticos minimizam a geração de entropia em relação a sistemas de osciladores com diferentes parâmetros. Tratando, então, os sistemas de osciladores idênticos, analisamos as regiões dos valores de parâmetros que permitem uma maior minimização de σ. Isto ocorre, no modelo inicial, quando o parâmetro de acoplamento de freqüência tende a zero ou ao infinito. Já no modelo final, é minimizada quando os parâmetros associados com a referência interna dos osciladores são bem maiores que as constantes de acoplamento de freqüência. Podemos concluir que a melhor estratégia, em termos evolutivos, para minimizar a geração de entropia numa troca continuada de sinais é manter uma alta semelhança (intraespecífica) entre os animais que se comunicam num dado ambiente. / Communication between individuals of the same species is present in all known taxa. Focusing in organisms that have nervous system, since there is a limited capacity to process all the environmental input, it is interesting to assume an evolutionary trend to minimize the information processing associated with communication in order to redirect attention to other events. As such a minimization may be associated with a reduction in the amount of energy spent in the process, we may put forward the hypothesis that there is, also, a trend to minimize entropy generation (σ), since this is directly associated with power dissipation during action potentials. The objective of this study is to test the above described hypothesis. To this end, we considered the organisms involved in the communication as oscillators described by differential equations, and communication was defined as the coupling between oscillators. In an initial model, the frequency and the phase were the state variables, whereas in a second model we added two more variables associated with the volition to emit signals. Entropy generation is calculated through the product of the flux (i.e., frequency) by a potential difference (a forcing parameter). Computations of σ were performed for both models, and we compared the conditions of identical with those of non-identical parameters of the oscillators. In both models, the results obtained indicate that identical oscillators are those that minimize entropy generation in relation to systems of non-identical oscillators. Within the context of systems of identical oscillators, we analyzed the regions of the parameters that allow for a further minimization of σ. In the first model, such a minimization occurs when the parameter of frequency coupling tends either to zero or to infinite. In the second model, σ attains minimal values when the parameters associated with internal references of the oscillators are significantly higher than those associated with frequency coupling. We are lead to the conclusion that the best strategy, in evolutionary terms, to minimize the entropy generation in a long-lasting exchange of signals is to keep a high similarity (intra-specific) between the animals that communicate in a given environment.

Os sistemas biológicos interagem com o ambiente em que vivem de muitas formas, e uma das principais formas na qual essa interação se dá é pela transmissão de mensagens, de diversas maneiras. A transmissão de mensagens por vias sonoras, em animais, é uma questão muito abordada em muitos estudos por ser uma importante via de comunicação utilizada por diversos tipos de sistemas biológicos. Este trabalho tem como objetivo verificar, pelo viés da Teoria da Informação de Shannon, se através da organização das séries temporais referentes à comunicação é possível observar a diminuição de geração de entropia no sistema nervoso referente ao processamento dos sinais sonoros de comunicação. Para tanto, utilizou-se, como sistemas-modelo, três espécies de anuros, Scinax perpusillus e Hypsiboas faber e Hypsiboas pardalis. Ferramentas de análise não-lineares, como a Entropia Aproximada Volumétrica, Análise de Potência Espectral e Plot de Poincaré, foram utilizados para caracterizar a variabilidade tanto do sinal emitido por um único animal quanto dos sinais trocados entre indivíduos da mesma espécie. Foi verificado que as séries temporais analisadas são altamente variáveis, com os intervalos entre vocalizações sendo descritos por distribuições de Lévy. As séries temporais relativas à interação entre indivíduos da mesma espécie apresentam uma alta variabilidade, porém menor que as individuais. Devido ao controle neural exercido na vocalização em anuros, é possível que a variabilidade apresentada pelas séries otimize o processo de emissão sonora, diminuindo a sobreposição de vocalizações entre indivíduos. A diminuição da variabilidade da interação entre indivíduos pode ser um indicativo da diminuição da geração de entropia no processo de comunicação destes animais. / Biological systems interact with their environment in many forms. The way these interactions occur can be assigned, ultimately, as the transmission of messages. Transmission of messages by sound waves, in animals, is a well studied subject because they are an important way of communication used by many groups. The objective of the present work is to verify whether the central nervous system presents entropy generation minimization in processing communicating sound signals. The approach employed is derived from Shannons Information Theory. The temporal organization of the time intervals between successive vocalizations was the subject of analysis. Recordings of three anuran species, Scinax perpusillus, Hypsiboas faber and Hypsiboas pardalis were used. Non-linear analyses were performed by tools as Volumetric Approximated Entropy, Power Spectrum Analysis and Poincaré Plot in order to address the variability of the signals emitted by a single animal, as well as the signals exchanged among individuals of the same species. The time-series data analyzed present highly variability and can be adequately described by Lévys distributions. The time-series data of the interactions among individuals also present high variability, however such a variability is not as high as the variability of single individuals. The results suggest that the neural system works in a way that reduces the probability of vocalizations overlapping. The reduction in variability of the interactions among individuals is, perhaps, linked to a minimization of entropy generation in the communication process of these animals.

O modelo originalmente proposto por Navarro e Cabezas-Gómez (2005) para determinação da Efetividade térmica de trocadores de calor de fluxo cruzado, é avaliado e ampliado. Esta ampliação é extensiva para três casos particulares. No primeiro, o número de unidades de transferência (NUT) é determinado em função da efetividade térmica (E) e da razão entre as capacidades térmicas (C*). No segundo, cartas do fator de correção F para o método da média logarítmica da diferença de temperaturas (MLDT) são desenvolvidas a partir de uma associação entre os métodos E-NUT e MLDT realizada por Kays e London (1998). Os resultados obtidos são validados a partir da comparação com valores provenientes de relações analíticas de configurações conhecidas. Por último, uma análise global de trocadores de calor de fluxo cruzado com geometrias complexas é realizada através dos métodos E-NUT, MLDT, Eficiência, análise de geração de entropia e o princípio da uniformidade da diferença do campo de temperaturas. Os valores obtidos mostraram boa precisão para todas as configurações testadas, demonstrando que o presente trabalho permite analisar o desempenho de diferentes configurações de trocadores de calor de fluxo cruzado usando diversos métodos de análise. / The pattern originally proposed by Navarro and Cabezas-Gómez (2005) for cross-flow heat exchangers thermal effectiveness resolution, is analysed and extended. This extension is available in three particular cases. In the first one, the number of tranfer units (NTU) is defined in funtion of thermal effectiveness (E) and heat capacity rate ratio (C*). In the second one, charts for correction factor F for logarithm mean temperature difference (LMTD) approach are developed from a relation between E-NTU and LMTD approaches by Kays and London (1998). The obtained results are authenticated from a comparison with data from analytical expressions of traditional arrangements. For the last one, a whole analysis of crossflow heat exchangers with complex flow arrangements is realized by E-NTU, LMTD, Efficiency, analysis of entropy generation and the uniformity principle of the temperature difference field. The obtained values showed a good precision for every settings simulated, demonstrating that the present research is able to make an analysis of cross-flow heat exchangers performance in different settings using several approaches.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-23T01:58:52Z No. of bitstreams: 1 THASSIO NÓBREGA GOMES - TESE PPGEQ 2016..pdf: 2654061 bytes, checksum: ac0f5ea653fa24b05725f94f3e01236b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-23T01:58:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 THASSIO NÓBREGA GOMES - TESE PPGEQ 2016..pdf: 2654061 bytes, checksum: ac0f5ea653fa24b05725f94f3e01236b (MD5) Previous issue date: 2016-08-30 / A influência do trabalho mecânico nos procedimentos de otimização via minimização da taxa de geração de entropia (EGM) de sistemas reativos e não reativos, tem sido objeto de análise nesta tese. As metodologias utilizadas na maioria dos trabalhos de otimização empregam, em sua estrutura, apenas balanços de massa e energia, desconsiderando a 2° Lei da termodinâmica a qual possui aplicações relevantes nos sistemas propostos. A metodologia usada consiste na utilização conjunta da 1° e 2° Lei da termodinâmica visando estabelecer as condições ótimas de operação do processo de produção do propileno glicol (sistema reativo) e da cristalização do ácido monocloroacético (sistema não reativo). Portanto, o principal objetivo consiste na determinação dos efeitos do sistema de agitação nos procedimentos de otimização por meio da EGM aplicada aos sistemas reativos e não reativos. Tais considerações têm sido possíveis através da análise dimensional, de acordo com o método de Rayleigh & Buckingham, que leva em conta os parâmetros físicos e geométricos e as variáveis chave do sistema. Considerando o sistema reativo observa-se um aumento significativo na taxa de conversão, de 36% (sistema de não-optimizado) a 95% (sistema optimizado) com uma consequente redução de subprodutos. Para o sistema de cristalização a inclusão do sistema de agitação permite observar um aumento da taxa de geração de entropia; tal comportamento pode produzir um impacto significante no sistema de refrigeração. Além disso, tem sido possível estabelecer a influência do trabalho do agitador no procedimento de otimização para os sistemas reativos e não reativos. Os resultados também indicam que com a utilização da análise entrópica como ferramenta de otimização, tem-se comprovado serem simples e fácil de aplicar visto que exigem baixo esforço computacional. / The integration of stirring systems in the calculation and optimization procedures has suffered a significant lack of attention, what it can reflect in the results because such systems provide an additional energy to the process, besides promote a better distribution of mass and energy. This is meaningful for the reactive systems, particularly for the Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), for which the key variables and parameters, as well as the operating conditions of stirring systems can play a pivotal role. Neglected these factors can lead to sub-optimal results as can be observed in the literature. It is also well known that the sole use of the First Law of Thermodynamics as an optimization tool can not yield expected results, hence the joint use of the First and Second Laws condensed into a procedure so-called entropy generation minimization (EGM) has shown itself able to drive the system towards better results. Therefore, the main objective of this thesis is to determine the effects of key parameters of the stirring system in the optimization procedures by means of EGM applied to the reactive and non reactive systems. Such considerations have been possible by dimensional analysis according to Rayleigh and Buckingham's method, which takes into account the physical and geometric parameters and the variables of the reactive system. Consider for the simulation purpose the production of propylene glicol, the results have shown a significant increase in the conversion rate from 36% (not-optimized system) to 95% (optimized system) with a consequent reduction of byproducts. In addition, it has been possible to establish the influence of the work of the stirrer in the optimization procedure for the reactive and non reactive systems. The results also indicate that the use of the entropic analysis as optimization tool has been proved to be simple, easy to apply and requiring low computational effort.

O modelo originalmente proposto por Navarro e Cabezas-Gómez (2005) para determinação da Efetividade térmica de trocadores de calor de fluxo cruzado, é avaliado e ampliado. Esta ampliação é extensiva para três casos particulares. No primeiro, o número de unidades de transferência (NUT) é determinado em função da efetividade térmica (E) e da razão entre as capacidades térmicas (C*). No segundo, cartas do fator de correção F para o método da média logarítmica da diferença de temperaturas (MLDT) são desenvolvidas a partir de uma associação entre os métodos E-NUT e MLDT realizada por Kays e London (1998). Os resultados obtidos são validados a partir da comparação com valores provenientes de relações analíticas de configurações conhecidas. Por último, uma análise global de trocadores de calor de fluxo cruzado com geometrias complexas é realizada através dos métodos E-NUT, MLDT, Eficiência, análise de geração de entropia e o princípio da uniformidade da diferença do campo de temperaturas. Os valores obtidos mostraram boa precisão para todas as configurações testadas, demonstrando que o presente trabalho permite analisar o desempenho de diferentes configurações de trocadores de calor de fluxo cruzado usando diversos métodos de análise. / The pattern originally proposed by Navarro and Cabezas-Gómez (2005) for cross-flow heat exchangers thermal effectiveness resolution, is analysed and extended. This extension is available in three particular cases. In the first one, the number of tranfer units (NTU) is defined in funtion of thermal effectiveness (E) and heat capacity rate ratio (C*). In the second one, charts for correction factor F for logarithm mean temperature difference (LMTD) approach are developed from a relation between E-NTU and LMTD approaches by Kays and London (1998). The obtained results are authenticated from a comparison with data from analytical expressions of traditional arrangements. For the last one, a whole analysis of crossflow heat exchangers with complex flow arrangements is realized by E-NTU, LMTD, Efficiency, analysis of entropy generation and the uniformity principle of the temperature difference field. The obtained values showed a good precision for every settings simulated, demonstrating that the present research is able to make an analysis of cross-flow heat exchangers performance in different settings using several approaches.