Orientador: Aguinaldo Robinson de Souza / Banca: Wilson Massashiro Yonezawa / Banca: Marcelo Maia Cirino / Banca: Nelson Henrique Morgon / Banca: Neide Maria Michellan Kiouranis / Resumo: Esta pesquisa teve como objetivo investigar os conceitos de aleatoriedade e irreversibilidade presentes na Teoria Cinética dos Gases, por meio de etapas construídas para um jogo digital e da sua aplicação depois de finalizados. Participaram da pesquisa vinte e um acadêmicos do curso de licenciatura em química de uma universidade tecnológica federal no Paraná, separados em: grupo de 01,02 e 03. Para a coleta de dados, cada grupo, em deerminados momentos, respondeu questionários, elaborou desenhos e participou de entrevistas semiestruturadas. O desenvolvimento da pequisa foi orientado pela abordagem qualitativa e por alguns estudos realizados por Piaget. Para tratar e analisar os dados, optamos pelos princípios da análise de conteúdo. A partir do conteúdo dos desenhos construídos nas etapas do jogo digital, foi possível constatar que, os participantes do grupo 01 e 02 buscaram ilustrar em alguma etapa do jogo, uma aproximação de distribuição homogênea do sistema. Nos desenhos dos níveis, verificamos que a maioria (quinze) dos participantes levou em consideração as experiências obtidas durante o jogo, porque mudaram a maneira de prever em algum nível, as trajetórias de partículas no sistema; dentre os vinte e um sujeitos, apenas oito ilustraram nos quatro níveis do jogo, as primeiras previsões de colisões do lado esquerdo, alcançando o padrão de análise estabelecido. No conteúdo obtido nos discursos dos participantes, referente ao conceito de irreversibilidade, foi possível verificar que este conhecimento não está bem contruído nas estruturas cognitivas dos participantes do grupo 01 e 02, porque cinco apresentaram discurso não elucidativo nas quatro etapas do jogo e dois não souberam elucidar o conceito investigado em três etapas. Com relação ao conceito de aleatoriedade, verificamos que os participantes utilizaram palavras diferentes em cada contexto de aplicação das etapas e dos níveis do jogo digital.. / Abstract: This research aimed to investigate whether licentiate in chemistry enunciate and understand the concepts of randmness and irreversibility present in Kinetic Theory of Gases, through the construction of steps of a digital game and its application after finalized. The participants were twenty-one academics in chemistry degree course of a federal technological university in Paraná, separated into: Group 01,02 and 03. For the collection of data, each group, at certain times, answered questionnaires, prepared drawings and participated in semi-structured interviews. The development of the research was guided by a qualitative approach and some studies conducted by trough the ideas of Piaget. To process an analyze the data, we chose the principles of content analysis. From the content of the drawings built on the the steps of digital game, it was found that he particpants of group 01 and 02 sought to illustrate in some stage of the game, a homogeneous distribution approach of the system. In the drawing levels, we found that the majority (fourteen) of the participants took into account the experiences gained during the game because it changed the way to predict to some degree, the particle trajectories in the system; among the twenty-one subjects, only eight illustrated in the four levels of the game, the first predictions of collisions on the left side, reaching the established pattern analysis. The content obtained in the speeches of the participants, referring to the concept of irreversibility, if was found that this knowledge is not well built in cognitive structures of group members 01 and 02, because five had not been enlucidated sppech in the four stages of the game and two did not know how to elucidate the concept investigated in the three steps. Regarding the concept of randomness, we found that participants used different words in each application context of the stages and the digital game levels, with different speeches, as scientific... / Doutor

As possíveis soluções da equação integro-diferencial de Boltzmann constituem uma importante ferramenta para o estudo de gases e plasmas. No entanto, suas soluções analíticas são difíceis de serem encontradas. Uma abordagem bastante utilizada na literatura para obter soluções aproximadas da equação de Boltzmann é através de hipóteses que simplificam a forma da integral de colisão. Nesta dissertação, discutimos dois modelos colisionais alternativos que generalizam o método originalmente proposto por Bhatnagar, Gross e Krook, usualmente referido na literatura como aproximação BGK. O primeiro deles é um modelo de relaxação de segunda ordem, no qual introduzimos um segundo tempo de relaxação, 2 , relacionado com efeitos não lineares. O segundo modelo é baseado em outra generalização do modelo BGK obtida através de uma lei de potência parametrizada por um índice . No limite 1 o modelo BGK padrão é recuperado. As duas aproximações são fisicamente interpretadas. Além disso, para ilustrar nossos resultados com algumas aplicações mais quantitativas, obtemos as expressões analíticas para diversos coeficientes de transporte, a saber: a condutividade térmica (), a viscosidade de cisalhamento () e a condutividade elétrica (). Em particular, no modelo de relaxação de segunda ordem, as correções dependem da razão 1/2, onde 1 é a escala de tempo característica do modelo BGK padrão e 2 a nova escala de tempo associada aos efeitos não lineares. Finalmente, como um resultado geral, mostramos também que todas as correções nos coeficientes de transporte dependem numa certa potência do chamado número de Knudsen. / The possible solutions of the integro-diferential Boltzmann equation constitute an important tool for studying gases and plasmas. |However, its analytical solutions are hardly derived. An approach often adopted in the literature for obtaining approximate solutions of the Boltzmann equation is to consider some simplifying hypothesis on the collisional term. In this Dissertation, we discuss two diferent alternative collisional models which generalize the method originally proposed by Bhatnagar, Gross e Krook, and usually referred to as BGK approximation. The first one is a second order relaxation model in which a second relaxation time, 2, related with the nonlinear efects, is introduced. The second one is based on a diferent generalization of the BGK model which is obtained through a power law parameterized by a index . In the limit 1, the BGK model is recovered. Both approximations are physically interpreted. Further, in order to illustrate our results with some more quantitative applications, we derive the analytical expressions for several transport coefficients, among them the thermal conductivity (), the shear viscosity () and the electric conductivity (). In particular, for the second order relaxation model, we find that the corrections depend on the ratio 1/2 where 1 is the characteristic time scale of the BGK model and 2 describe the nonlinear efects. Finally, as a general result, it is also shown that all the corrections on the transport coefficients depend on a given power of the so-called Knudsen number.

Desenvolvemos urna teoria cinética para urna mistura de gases ionizados em presença de campos elétricos e magnéticos. As leis de Ohm, Fourier e Navier-Stokes são obtidas por dois métodos distintos que se baseiam na equação de Boltzmann. Verificamos que o emprego de teoremas de representação torna o método de Chapman-Enskog mais direto. Entretanto o método combinado mostrou-se extremamente simples, onde os coeficientes de transporte são determinados através da inversão de tensores de segunda e quarta ordens. Calculamos também a integral de colisão para as possíveis interações em gases ionizados tais como, entre partículas carregadas, partícula carregada e partícula neutra e entre partículas neutras. Como uma aplicação do método combinado, determinamos os coeficientes de condutividade elétrica, condutividade térmica, coeficiente termo-elétrico e o coeficiente de viscosidade cisalhante para um gás totalmente ionizado. Obtemos seus respectivos gráficos, considerando então um gás ionizado formado a partir do gás de hélio. / We develop a kinetic theory for ionized gases mixtures under the presence of electric and magnetic fields. The laws of Ohm, Fourier and Navier-Stokes are obtained by two different methods based on the Boltzmann equation. We verify that the use of representation theorems makes the Chapman-Enskog method more direct. However the combined method shows up as extremely simple where the transport coefficients are determined through inversion of second-order and fourth order tensors. We calculate also the collision integrals for possible interactions in ionized gases like: between charged particles, between charged particles and neutral particles and between neutral particles. As an application of the combined method, we determine the electrical and thermal conductivity coefficients, thermo-electric and shear viscosity coefficients for a completely ionized gas. We obtain their respective graphics considering an ionized gas of helium.

As possíveis soluções da equação integro-diferencial de Boltzmann constituem uma importante ferramenta para o estudo de gases e plasmas. No entanto, suas soluções analíticas são difíceis de serem encontradas. Uma abordagem bastante utilizada na literatura para obter soluções aproximadas da equação de Boltzmann é através de hipóteses que simplificam a forma da integral de colisão. Nesta dissertação, discutimos dois modelos colisionais alternativos que generalizam o método originalmente proposto por Bhatnagar, Gross e Krook, usualmente referido na literatura como aproximação BGK. O primeiro deles é um modelo de relaxação de segunda ordem, no qual introduzimos um segundo tempo de relaxação, 2 , relacionado com efeitos não lineares. O segundo modelo é baseado em outra generalização do modelo BGK obtida através de uma lei de potência parametrizada por um índice . No limite 1 o modelo BGK padrão é recuperado. As duas aproximações são fisicamente interpretadas. Além disso, para ilustrar nossos resultados com algumas aplicações mais quantitativas, obtemos as expressões analíticas para diversos coeficientes de transporte, a saber: a condutividade térmica (), a viscosidade de cisalhamento () e a condutividade elétrica (). Em particular, no modelo de relaxação de segunda ordem, as correções dependem da razão 1/2, onde 1 é a escala de tempo característica do modelo BGK padrão e 2 a nova escala de tempo associada aos efeitos não lineares. Finalmente, como um resultado geral, mostramos também que todas as correções nos coeficientes de transporte dependem numa certa potência do chamado número de Knudsen. / The possible solutions of the integro-diferential Boltzmann equation constitute an important tool for studying gases and plasmas. |However, its analytical solutions are hardly derived. An approach often adopted in the literature for obtaining approximate solutions of the Boltzmann equation is to consider some simplifying hypothesis on the collisional term. In this Dissertation, we discuss two diferent alternative collisional models which generalize the method originally proposed by Bhatnagar, Gross e Krook, and usually referred to as BGK approximation. The first one is a second order relaxation model in which a second relaxation time, 2, related with the nonlinear efects, is introduced. The second one is based on a diferent generalization of the BGK model which is obtained through a power law parameterized by a index . In the limit 1, the BGK model is recovered. Both approximations are physically interpreted. Further, in order to illustrate our results with some more quantitative applications, we derive the analytical expressions for several transport coefficients, among them the thermal conductivity (), the shear viscosity () and the electric conductivity (). In particular, for the second order relaxation model, we find that the corrections depend on the ratio 1/2 where 1 is the characteristic time scale of the BGK model and 2 describe the nonlinear efects. Finally, as a general result, it is also shown that all the corrections on the transport coefficients depend on a given power of the so-called Knudsen number.

Desenvolvemos urna teoria cinética para urna mistura de gases ionizados em presença de campos elétricos e magnéticos. As leis de Ohm, Fourier e Navier-Stokes são obtidas por dois métodos distintos que se baseiam na equação de Boltzmann. Verificamos que o emprego de teoremas de representação torna o método de Chapman-Enskog mais direto. Entretanto o método combinado mostrou-se extremamente simples, onde os coeficientes de transporte são determinados através da inversão de tensores de segunda e quarta ordens. Calculamos também a integral de colisão para as possíveis interações em gases ionizados tais como, entre partículas carregadas, partícula carregada e partícula neutra e entre partículas neutras. Como uma aplicação do método combinado, determinamos os coeficientes de condutividade elétrica, condutividade térmica, coeficiente termo-elétrico e o coeficiente de viscosidade cisalhante para um gás totalmente ionizado. Obtemos seus respectivos gráficos, considerando então um gás ionizado formado a partir do gás de hélio. / We develop a kinetic theory for ionized gases mixtures under the presence of electric and magnetic fields. The laws of Ohm, Fourier and Navier-Stokes are obtained by two different methods based on the Boltzmann equation. We verify that the use of representation theorems makes the Chapman-Enskog method more direct. However the combined method shows up as extremely simple where the transport coefficients are determined through inversion of second-order and fourth order tensors. We calculate also the collision integrals for possible interactions in ionized gases like: between charged particles, between charged particles and neutral particles and between neutral particles. As an application of the combined method, we determine the electrical and thermal conductivity coefficients, thermo-electric and shear viscosity coefficients for a completely ionized gas. We obtain their respective graphics considering an ionized gas of helium.

Submitted by Filipe dos Santos (fsantos@pucsp.br) on 2018-07-25T11:57:07Z No. of bitstreams: 1 Andrezza Cacione.pdf: 1380246 bytes, checksum: 70140b96b4c0cbf9c9bd395f8542f91e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-25T11:57:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andrezza Cacione.pdf: 1380246 bytes, checksum: 70140b96b4c0cbf9c9bd395f8542f91e (MD5) Previous issue date: 2018-04-14 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The work in question discusses the usage of probabilistic arguments on the Kinetic Theory of gases by James Clerk Maxwell, more specifically when describing the speed of the gas particles. The reflection on the gas behavior and its constituents develops during the 19th century. In this context, it can be verified the use of probabilist arguments in formulation of this knowledge. This work aims to identify the factors that influenced the use of such probabilistic arguments in the development of the Kinetic Theory of gas by Maxwell, and in which sense his approach differentiates from the existing ones, since the probability was already considered in previous formulations of the same theory. In order to identify the subjects studied by Maxwell and the varieties of reflections to which he was exposed, we searched for information on the calendar of the Cambridge University in the period he frequented the institution, we also researched papers published which he might have had contact with and letters exchanged with family and friends / O trabalho em questão versa sobre a utilização de argumentos probabilísticos na Teoria Cinética dos Gases por James Clerk Maxwell, mais especificamente ao descrever a velocidade das partículas que compõem um gás. A reflexão sobre o comportamento dos gases e de seus constituintes ocorreu ativamente ao longo do século XIX. Nesse contexto, percebe-se a utilização de argumentos probabilísticos na construção desse conhecimento. Este trabalho tem como objetivo identificar fatores que influenciaram o uso de argumentos probabilísticos na construção da Teoria Cinética dos Gases por Maxwell e em que sua abordagem a diferencia das teorias já existentes, uma vez que a probabilidade já era considerada em formulações anteriores para a mesma teoria. A fim de identificar os assuntos estudados por Maxwell e a quais tipos de reflexão ele foi exposto, buscamos informações no calendário da Universidade de Cambridge nos anos em que ele a frequentou, em artigos publicados na época com que de alguma forma ele tenha tido contato e também em cartas trocadas com familiares e amigos

Apesar dos avanços na última metade de século na teoria de transporte em Física de Plasmas, muitos de seus aspectos ainda são pouco compreendidos. Grande parte dessa limitação se deve à carência de modelos de primeiros princípios minimamente capazes de reproduzir os resultados experimentais. De fato, sem o embasamento em hipóteses fundamentais, os modelos devem se restringir à descrição do comportamento observado nos diferentes regimes de transporte no plasma, sem necessariamente especificar por que ou quais são os mecanismos envolvidos; até mesmo a identificação dos elementos envolvidos no transporte, por exemplo, se partículas ou células convectivas, é prejudicada. Uma abordagem que vem ganhando destaque na comunidade de Física de Plasmas ao longo dos anos é a estatística não-extensiva. Em particular, o interesse na teoria de Tsallis está na sua capacidade de descrever sistemas distantes do equilíbrio termodinâmico, uma característica comum à maioria dos plasmas de laboratório e astrofísicos. De fato, nessas circunstâncias, é sabido que as funções de distribuição das partículas são distantes das distribuições Maxwellianas, com longas-caudas, especialmente para os elétrons. A capacidade da teoria de Tsallis em descrever fenômenos da Física de Plasmas é retratada nas suas diversas aplicações encontradas na literatura, por exemplo, o transporte anômalo, oscilações eletrostáticas, ventos solares, plasmas empoeirados, onde é sabido que as previsões dadas pela estatística de Maxwell-Boltzmann não são capazes de descrever corretamente os resultados experimentais. A proposta desta tese de doutoramento é utilizar a estatística não-extensiva para determinar o transporte colisional em plasmas intensamente magnetizados. O desenvolvimento completo do modelo de transporte no contexto não-extensivo é estabelecido rigorosamente: partindo da definição da entropia de Tsallis e da hipótese das interações fracas (a condição do transporte colisional), somos capazes de deduzir as equações de fluidos utilizando apenas métodos estatísticos genéricos, e sem hipóteses adicionais. Nesse percurso, apresentamos, sempre de maneira consistente com a estatística não-extensiva, a definição da temperatura; a dedução da equação cinética com o operador colisional para plasmas; a generalização do método utilizado por Braginskii para determinar as soluções aproximadas da equação cinética; e o cálculo dos coeficientes de transporte. Porém, também apresentamos a aplicação de nosso modelo no transporte de calor em ventos solares e no pulso frio em plasmas de laboratório. / Despite the advances in the last half century in the plasma transport theory, many aspects of such phenomena remain poorly understood. Most of this limitation is due to the lack o first principles models capable of reproducing experimental observations. In fact, without a fundamental hypothesis, the models are restricted to describing the behavior of the observed plasma transport in diferent regimes, without specifying why or which mechanisms take part in the process; even the determination of the elements involved in the transport, for instance, whether particles or convective cells, is impaired. One approach that has been attracting attention in Plasma Physics community over the years is the non-extensive statistics. In particular, the interest in the Tsallis\'s theory lies in its ability to describe systems far from thermodynamic equilibrium, a common feature in most laboratory and astrophysical plasmas. The capability of the non-extensive statistics in describing phenomena of Plasma Physics is portrayed in various applications, for example, the anomalous transport, electrostatic oscillations, solar winds, dusty plasmas, where it is know that the predictions given by Maxwell-Boltzmann statistics cannot describe the experimental results. Indeed, under such cases, it is well known that the particle distribution functions are quite distant from Maxwellian distributions, with long tails, especially for electrons. The purpose of this doctoral thesis is to use the non-extensive statistics in order to obtain a model for the collisional transport in strongly magnetized plasmas. The complete development of the model in the non-extensive context is strictly established; starting with the definition of the Tsallis entropy and the weak interactions hypothesis (the collisional transport condition), we are able to derive the fluid equations using only generic statistical methods, without additional hypotheses. For such task, we present, consistently with non-extensive statistics, the definition of temperature; the deduction of the kinetic equation with the collision operator for plasmas, which are also appropriated for the determination of the fluid equations; the generalization of the method used by Braginskii to approximate the solution of the kinetic equation for electrons; and the calculation of electron transport coeficients. Lastly, we present the application of our model in the heat transport in the solar winds and in the phenomena of the cold pulse in laboratory plasmas.

Apesar dos avanços na última metade de século na teoria de transporte em Física de Plasmas, muitos de seus aspectos ainda são pouco compreendidos. Grande parte dessa limitação se deve à carência de modelos de primeiros princípios minimamente capazes de reproduzir os resultados experimentais. De fato, sem o embasamento em hipóteses fundamentais, os modelos devem se restringir à descrição do comportamento observado nos diferentes regimes de transporte no plasma, sem necessariamente especificar por que ou quais são os mecanismos envolvidos; até mesmo a identificação dos elementos envolvidos no transporte, por exemplo, se partículas ou células convectivas, é prejudicada. Uma abordagem que vem ganhando destaque na comunidade de Física de Plasmas ao longo dos anos é a estatística não-extensiva. Em particular, o interesse na teoria de Tsallis está na sua capacidade de descrever sistemas distantes do equilíbrio termodinâmico, uma característica comum à maioria dos plasmas de laboratório e astrofísicos. De fato, nessas circunstâncias, é sabido que as funções de distribuição das partículas são distantes das distribuições Maxwellianas, com longas-caudas, especialmente para os elétrons. A capacidade da teoria de Tsallis em descrever fenômenos da Física de Plasmas é retratada nas suas diversas aplicações encontradas na literatura, por exemplo, o transporte anômalo, oscilações eletrostáticas, ventos solares, plasmas empoeirados, onde é sabido que as previsões dadas pela estatística de Maxwell-Boltzmann não são capazes de descrever corretamente os resultados experimentais. A proposta desta tese de doutoramento é utilizar a estatística não-extensiva para determinar o transporte colisional em plasmas intensamente magnetizados. O desenvolvimento completo do modelo de transporte no contexto não-extensivo é estabelecido rigorosamente: partindo da definição da entropia de Tsallis e da hipótese das interações fracas (a condição do transporte colisional), somos capazes de deduzir as equações de fluidos utilizando apenas métodos estatísticos genéricos, e sem hipóteses adicionais. Nesse percurso, apresentamos, sempre de maneira consistente com a estatística não-extensiva, a definição da temperatura; a dedução da equação cinética com o operador colisional para plasmas; a generalização do método utilizado por Braginskii para determinar as soluções aproximadas da equação cinética; e o cálculo dos coeficientes de transporte. Porém, também apresentamos a aplicação de nosso modelo no transporte de calor em ventos solares e no pulso frio em plasmas de laboratório. / Despite the advances in the last half century in the plasma transport theory, many aspects of such phenomena remain poorly understood. Most of this limitation is due to the lack o first principles models capable of reproducing experimental observations. In fact, without a fundamental hypothesis, the models are restricted to describing the behavior of the observed plasma transport in diferent regimes, without specifying why or which mechanisms take part in the process; even the determination of the elements involved in the transport, for instance, whether particles or convective cells, is impaired. One approach that has been attracting attention in Plasma Physics community over the years is the non-extensive statistics. In particular, the interest in the Tsallis\'s theory lies in its ability to describe systems far from thermodynamic equilibrium, a common feature in most laboratory and astrophysical plasmas. The capability of the non-extensive statistics in describing phenomena of Plasma Physics is portrayed in various applications, for example, the anomalous transport, electrostatic oscillations, solar winds, dusty plasmas, where it is know that the predictions given by Maxwell-Boltzmann statistics cannot describe the experimental results. Indeed, under such cases, it is well known that the particle distribution functions are quite distant from Maxwellian distributions, with long tails, especially for electrons. The purpose of this doctoral thesis is to use the non-extensive statistics in order to obtain a model for the collisional transport in strongly magnetized plasmas. The complete development of the model in the non-extensive context is strictly established; starting with the definition of the Tsallis entropy and the weak interactions hypothesis (the collisional transport condition), we are able to derive the fluid equations using only generic statistical methods, without additional hypotheses. For such task, we present, consistently with non-extensive statistics, the definition of temperature; the deduction of the kinetic equation with the collision operator for plasmas, which are also appropriated for the determination of the fluid equations; the generalization of the method used by Braginskii to approximate the solution of the kinetic equation for electrons; and the calculation of electron transport coeficients. Lastly, we present the application of our model in the heat transport in the solar winds and in the phenomena of the cold pulse in laboratory plasmas.