This thesis describes research into electrical power takeoff mechanisms for Oscillating Water Column (OWC) wave energy devices. The OWC application is studied and possible alternatives to the existing Induction Generator (IG) are identified. The Permanent Magnet Generator (PMG) is found to be the most promising. Results showed that the IG could almost match the output of the PMG if it could be operated significantly above its rated capacity. This improvement would require only limited changes to the overall OWC system. The ability to operate overloaded is determined by the losses and cooling of the IG. The losses in a suitable IG were measured in tests at Nottingham University. Steady state measurements were made of the cooling ability of the OWC airflow at the LIMPET wave power plant operated by Wavegen (the sponsor company) on Islay. Thermal modelling combining the loss and cooling measurements allowed the maximum capacity of the induction generator in an OWC to be found. A simplified model that accurately represents this system is proposed for use in system design and generator control.

A Termodinâmica foi concebida através da observação da eficiência no funcionamento mecânico de máquinas que dependiam da troca de temperatura e calor com meio. O paradigma de modelo nesses estudos foram máquinas idealizadas que operavam em ciclos tais como o ciclo de Carnot (o mais eficiente possível) e o ciclo de Otto. Esses ciclos de operação das máquinas ditas térmicas podem ser decompostos em trechos em que processos termodinâmicos, tais como adiabático e isotérmico, atuam. Contudo, embora a compreensão da eficiência no funcionamento dessas máquinas tenha sido o primeiro passo, esta teoria não ficou limitada a tal, se desenvolvendo ao ponto de ser considerada um dos pilares da Física moderna. Atualmente tem-se visto um crescimento substancial dos estudos da Termodinâmica considerando sistemas pequenos e/ou fora do equilíbrio termodinâmico. Resultados curiosos têm sido obtidos quando considerados sistemas pequenos tais que efeitos quânticos têm grande relevância. Nesta situação surge o que tem sido chamado de Termodinâmica quântica: as leis da Termodinâmica sendo obtidas a partir de flutuações descritas pela Mecânica Quântica. Naturalmente, um dos primeiros problemas a ser tratado nesta nova circunstância foi a eficiência de máquinas térmicas. Para a descrição dessas máquinas quânticas foi-se primeiro construído o que seriam os diferentes processos termodinâmicos que guiam o funcionamento da mesma. Baseado nesses resultados, as versões quânticas dos ciclos de Carnot e Otto, através dos quais essas máquinas operavam, foram também determinados e as propriedades das máquinas térmicas puderam ser exploradas e comparadas com seu análogo clássico. Nesta dissertação estudaremos diferentes tipos de máquinas térmicas operando no ciclo de Otto. Essas máquinas são descritas por Hamiltonianos de dois spins 1/2 que apresentam interação. Algumas características desses Hamiltonianos são exploradas e o papel das mesmas sobre a eficiência da máquina foram determinado. Comparamos também esta eficiência com os limites dados pelo ciclo de Carnot e o limite dado pela situação em que o acoplamento entre os spins é nulo. Diferentes situações físicas são exploradas e suas consequências determinadas. Por fim, proporemos algumas discussões sobre o papel da Mecânica Quântica no funcionamento destas máquinas. / Thermodynamics was conceived by observing the efficiency of the mechanical operation of machines that depended on the temperature and heat exchange with the surroundings. The paradigm model in these studies were idealized machines operating in cycles such as the Carnot cycle (the most efficient one) and the Otto cycle. These thermal operating cycles of the machines can be decomposed into parts that thermodynamic processes, such as isothermal and adiabatic, act. However, while the understanding of efficiency in the functioning of these machines has been the first step, this theory was not limited to this, being developed the point of being considered one of the pillars of modern Physics. Currently, it has seen a substantial growth of Thermodynamics studies considering small systems and / or out of equilibrium thermodynamical systems. Curious results have been obtained when considered small systems such that quantum effects are highly relevant. In this situation arises what has been called quantum thermodynamics: the laws of thermodynamics being derived from fluctuations described by Quantum Mechanics. Of course, one of the problems to be addressed in the new condition was the efficiency of heat engines. For a description of these quantum machines first was built what would be the different thermodynamical processes that guide the operation. Based on these results, the quantum versions of Carnot and Otto cycles, through which these machines operate, were also determined and the properties of thermal machines could be explored and compared with its classical analog. This thesis will study different types of heat engines operating in Otto cycle. Such machines are described by two spin 1/2 Hamiltonian presenting interaction. Some characteristics of these Hamiltonians are explored and the role of them on the machine efficiency were determined. We also compared this efficiency with the limits given by the Carnot cycle and the limit given by the situation which the coupling between the spins is zero. Different physical situations are explored and its consequences determined. Finally, we propose some discussions about the role of quantum mechanics in the operation of these machines.

A Termodinâmica foi concebida através da observação da eficiência no funcionamento mecânico de máquinas que dependiam da troca de temperatura e calor com meio. O paradigma de modelo nesses estudos foram máquinas idealizadas que operavam em ciclos tais como o ciclo de Carnot (o mais eficiente possível) e o ciclo de Otto. Esses ciclos de operação das máquinas ditas térmicas podem ser decompostos em trechos em que processos termodinâmicos, tais como adiabático e isotérmico, atuam. Contudo, embora a compreensão da eficiência no funcionamento dessas máquinas tenha sido o primeiro passo, esta teoria não ficou limitada a tal, se desenvolvendo ao ponto de ser considerada um dos pilares da Física moderna. Atualmente tem-se visto um crescimento substancial dos estudos da Termodinâmica considerando sistemas pequenos e/ou fora do equilíbrio termodinâmico. Resultados curiosos têm sido obtidos quando considerados sistemas pequenos tais que efeitos quânticos têm grande relevância. Nesta situação surge o que tem sido chamado de Termodinâmica quântica: as leis da Termodinâmica sendo obtidas a partir de flutuações descritas pela Mecânica Quântica. Naturalmente, um dos primeiros problemas a ser tratado nesta nova circunstância foi a eficiência de máquinas térmicas. Para a descrição dessas máquinas quânticas foi-se primeiro construído o que seriam os diferentes processos termodinâmicos que guiam o funcionamento da mesma. Baseado nesses resultados, as versões quânticas dos ciclos de Carnot e Otto, através dos quais essas máquinas operavam, foram também determinados e as propriedades das máquinas térmicas puderam ser exploradas e comparadas com seu análogo clássico. Nesta dissertação estudaremos diferentes tipos de máquinas térmicas operando no ciclo de Otto. Essas máquinas são descritas por Hamiltonianos de dois spins 1/2 que apresentam interação. Algumas características desses Hamiltonianos são exploradas e o papel das mesmas sobre a eficiência da máquina foram determinado. Comparamos também esta eficiência com os limites dados pelo ciclo de Carnot e o limite dado pela situação em que o acoplamento entre os spins é nulo. Diferentes situações físicas são exploradas e suas consequências determinadas. Por fim, proporemos algumas discussões sobre o papel da Mecânica Quântica no funcionamento destas máquinas. / Thermodynamics was conceived by observing the efficiency of the mechanical operation of machines that depended on the temperature and heat exchange with the surroundings. The paradigm model in these studies were idealized machines operating in cycles such as the Carnot cycle (the most efficient one) and the Otto cycle. These thermal operating cycles of the machines can be decomposed into parts that thermodynamic processes, such as isothermal and adiabatic, act. However, while the understanding of efficiency in the functioning of these machines has been the first step, this theory was not limited to this, being developed the point of being considered one of the pillars of modern Physics. Currently, it has seen a substantial growth of Thermodynamics studies considering small systems and / or out of equilibrium thermodynamical systems. Curious results have been obtained when considered small systems such that quantum effects are highly relevant. In this situation arises what has been called quantum thermodynamics: the laws of thermodynamics being derived from fluctuations described by Quantum Mechanics. Of course, one of the problems to be addressed in the new condition was the efficiency of heat engines. For a description of these quantum machines first was built what would be the different thermodynamical processes that guide the operation. Based on these results, the quantum versions of Carnot and Otto cycles, through which these machines operate, were also determined and the properties of thermal machines could be explored and compared with its classical analog. This thesis will study different types of heat engines operating in Otto cycle. Such machines are described by two spin 1/2 Hamiltonian presenting interaction. Some characteristics of these Hamiltonians are explored and the role of them on the machine efficiency were determined. We also compared this efficiency with the limits given by the Carnot cycle and the limit given by the situation which the coupling between the spins is zero. Different physical situations are explored and its consequences determined. Finally, we propose some discussions about the role of quantum mechanics in the operation of these machines.

O Ensino de Física em um mundo democrático requer mais práticas curriculares que abordem as implicações sociais da Ciência e da Tecnologia (C&T). Buscando articular uma visão marxista com pressupostos do movimento CTS, o presente trabalho de conclusão reporta uma experiência de ensino de máquinas térmicas que apresenta dois diferenciais: (1) situa a máquina térmica no contexto histórico da revolução industrial inglesa; (2) promove um jogo de interpretação de papéis (Roleplaying Game – RPG). A fundamentação teórica está baseada em três fontes principais: o referencial curricular CTS, a teoria do desenvolvimento de Lev Vygotsky1 e a reconstrução histórica de Eric Hobsbawm para a Revolução Industrial. O trabalho foi aplicado em duas turmas da 2ª série do Ensino Médio. Foi elaborado um produto educacional em hipermídia, voltado para professores. Nossos resultados sugerem que a proposta favoreceu que os alunos: (1) percebessem que a máquina térmica, situada em um palco de conflitos sociais, não pode ser compreendida somente como um aparato tecnológico; (2) vivenciassem os conflitos de uma posição social diferente da sua própria (a posição do operário de uma fábrica, por exemplo). / Physics teaching in a democratic world requires more curricular practices addressing social implications of Science and Technology (S&T). Intending to interweave a Marxian stance along with STS ideas, this text reports an experience of teaching thermal machines with two main distinctions: (1) it situates thermal machines in the context of British industrial revolution; (2) it involves a Roleplaying Game (RPG). The theoretical framework is based on three sources: STS curriculum design, Lev Vygotsky’s developmental psychology and Eric Hobsbawm’s account for Industrial Revolution. This experience was enacted twice with high school students. The emerging educational product (directed to other science teachers) was elaborated on hypermedia. The results suggest that this experience favored students’: (1) acknowledging that thermal machine, located in a stage of social conflicts, is not only a technological apparatus; (2) lived the conflicts of a different social position (eg., the role of an industry employee).

Cette thèse traite de la manipulation de l'énergie dans trois systèmes quantiques ouverts différents dans la limite de couplage faible système-environnement, et leurs dynamiques respectives sont décrites par une équation maîtresse quantique markovienne. Dans le premier chapitre, le calcul d'une telle équation est réalisé pour un système particulier, et diverses notions de thermodynamique quantique sont introduites. Pour le premier système physique, on analyse le transport d'énergie le long de chaînes atomiques (entre 2 et 7 atomes) soumises à un rayonnement de corps noir proche de la température ambiante. Il est montré que l'efficacité du transport peut atteindre des valeurs remarquables, surpassant 100% et atteignant jusqu'à 1400% dans certaines configurations. De plus, lorsque l'efficacité est amplifiée, la portée du transport est également considérablement augmentée. Le chapitre suivante traite aussi du transport d'énergie dans des chaînes atomiques. Le système quantique est placé à l'interface d'un isolant topologique photonique (ITP), qui supporte un plasmon polariton de surface (PPS) insensible à la réflexion. Le PPS se propage le long de la chaîne atomique et assiste le transport d'énergie. La comparaison est faite entre PPSs réciproque et unidirectionnel en termes d'efficacité du transport, et il est démontré que ce dernier produit une meilleure efficacité, de plus d'un ordre de grandeur. De surcroît, divers aspects pratiques dus aux propriétés des ITPs sont mis en avant, notamment la robustesse du transport d'énergie en présence de défauts sur le parcours du PPS. Enfin, un système quantique immergé dans un champ électromagnétique hors équilibre thermique est étudié. Il est composé d'un système à trois niveaux d'énergie, jouant le rôle de machine thermique quantique à absorption, ainsi que de N atomes à deux niveaux ("qubits") qui sont affectés par l'action de la machine. Il est montré que la machine est capable de délivrer des tâches thermiques d'intensité significative sur les qubits, y compris lorsque leur nombre augmente. De plus, il est mis en évidence qu'en raison d'interactions qubit-qubit, les tâches réalisées par la machine sont distribuées parmi l'ensemble du système des qubits en interaction, de sorte que dans certains cas, même les qubits complètement découplés de la machine subissent une modification de température considérable. Ce mécanisme de distribution des tâches est analysé à travers les corrélations entre différentes partitions du système quantique. Par ailleurs, le contrôle des tâches thermiques est également discuté. / This thesis deals with energy management in open quantum systems. Three different systems are under study in the limit of weak system-environment coupling, and their dynamics is described by Markovian quantum master equations. In the first chapter, the complete derivation of such equation is performed in a specific case, and several notions of quantum thermodynamics are introduced. In the first system, energy transport is investigated along atomic chains (between 2 and 7 atoms) embedded in blackbody radiation around room temperature. It is shown that the transport efficiency can reach remarkable values, exceeding 100% and reaching 1400% in some configurations. Moreover, when the efficiency is amplified, the transport range is also considerably increased. The following chapter also deals with energy transport in atomic chains. The quantum system is located at the interface of a photonic topological insulator (PTI), supporting a unidirectional surface-plasmon-polariton (SPP) immune to backscattering. The SPP propagates along the chain and assists energy transport. Comparison is made between reciprocal and unidirectional SPPs in terms of transport efficiency, and it is shown that the latter can yield an efficiency larger by one order of magnitude. In addition, several practical aspects stemming from PTIs are highlighted, including the robustness of energy transport in the presence of defects on the SPP path. In the last chapter, a quantum system embedded in an out-of-thermal-equilibrium electromagnetic field is investigated. It is composed of a three-level atom playing the role of an absorption quantum thermal machine, as well as N two-level atoms ('qubits'), with N=1,...,6, which are the target bodies. It is demonstrated that the machine is able to perform significant thermal tasks on the qubits, even when their number is increased. Moreover, it is pointed out that due to qubit-qubit interactions, the tasks delivered by the machine are distributed throughout the system of interacting qubits, such that in some cases the temperature of the qubits which are completely decoupled from the machine can still be considerably affected by it. This task-distribution mechanism is investigated by means of the correlations between different subparts of the system. In addition, the tuning of thermal tasks is discussed.

O Ensino de Física em um mundo democrático requer mais práticas curriculares que abordem as implicações sociais da Ciência e da Tecnologia (C&T). Buscando articular uma visão marxista com pressupostos do movimento CTS, o presente trabalho de conclusão reporta uma experiência de ensino de máquinas térmicas que apresenta dois diferenciais: (1) situa a máquina térmica no contexto histórico da revolução industrial inglesa; (2) promove um jogo de interpretação de papéis (Roleplaying Game – RPG). A fundamentação teórica está baseada em três fontes principais: o referencial curricular CTS, a teoria do desenvolvimento de Lev Vygotsky1 e a reconstrução histórica de Eric Hobsbawm para a Revolução Industrial. O trabalho foi aplicado em duas turmas da 2ª série do Ensino Médio. Foi elaborado um produto educacional em hipermídia, voltado para professores. Nossos resultados sugerem que a proposta favoreceu que os alunos: (1) percebessem que a máquina térmica, situada em um palco de conflitos sociais, não pode ser compreendida somente como um aparato tecnológico; (2) vivenciassem os conflitos de uma posição social diferente da sua própria (a posição do operário de uma fábrica, por exemplo). / Physics teaching in a democratic world requires more curricular practices addressing social implications of Science and Technology (S&T). Intending to interweave a Marxian stance along with STS ideas, this text reports an experience of teaching thermal machines with two main distinctions: (1) it situates thermal machines in the context of British industrial revolution; (2) it involves a Roleplaying Game (RPG). The theoretical framework is based on three sources: STS curriculum design, Lev Vygotsky’s developmental psychology and Eric Hobsbawm’s account for Industrial Revolution. This experience was enacted twice with high school students. The emerging educational product (directed to other science teachers) was elaborated on hypermedia. The results suggest that this experience favored students’: (1) acknowledging that thermal machine, located in a stage of social conflicts, is not only a technological apparatus; (2) lived the conflicts of a different social position (eg., the role of an industry employee).

O Ensino de Física em um mundo democrático requer mais práticas curriculares que abordem as implicações sociais da Ciência e da Tecnologia (C&T). Buscando articular uma visão marxista com pressupostos do movimento CTS, o presente trabalho de conclusão reporta uma experiência de ensino de máquinas térmicas que apresenta dois diferenciais: (1) situa a máquina térmica no contexto histórico da revolução industrial inglesa; (2) promove um jogo de interpretação de papéis (Roleplaying Game – RPG). A fundamentação teórica está baseada em três fontes principais: o referencial curricular CTS, a teoria do desenvolvimento de Lev Vygotsky1 e a reconstrução histórica de Eric Hobsbawm para a Revolução Industrial. O trabalho foi aplicado em duas turmas da 2ª série do Ensino Médio. Foi elaborado um produto educacional em hipermídia, voltado para professores. Nossos resultados sugerem que a proposta favoreceu que os alunos: (1) percebessem que a máquina térmica, situada em um palco de conflitos sociais, não pode ser compreendida somente como um aparato tecnológico; (2) vivenciassem os conflitos de uma posição social diferente da sua própria (a posição do operário de uma fábrica, por exemplo). / Physics teaching in a democratic world requires more curricular practices addressing social implications of Science and Technology (S&T). Intending to interweave a Marxian stance along with STS ideas, this text reports an experience of teaching thermal machines with two main distinctions: (1) it situates thermal machines in the context of British industrial revolution; (2) it involves a Roleplaying Game (RPG). The theoretical framework is based on three sources: STS curriculum design, Lev Vygotsky’s developmental psychology and Eric Hobsbawm’s account for Industrial Revolution. This experience was enacted twice with high school students. The emerging educational product (directed to other science teachers) was elaborated on hypermedia. The results suggest that this experience favored students’: (1) acknowledging that thermal machine, located in a stage of social conflicts, is not only a technological apparatus; (2) lived the conflicts of a different social position (eg., the role of an industry employee).