Orientadores: Roberto Luzzi, Aurea Rosas Vasconcellos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-07-25T22:43:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hassan_SergioAlejandro_D.pdf: 4996051 bytes, checksum: a77e1f927e0d7a1742a05729220ca8f7 (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: O objetivo principal do trabalho desenvolvido nesta tese consiste no estudo de alguns aspectos da Termodinâmica de sistemas abertos (dissipativos). Muitos sistemas mantidos longe do equilíbrio termodinâmico são governados por leis cinéticas não lineares, uma condição fundamental para o comportamento dito complexo surgir. A este grupo pertence a maioria dos sistemas nas ciências naturais especialmente na Física, na Química e na Biologia. Recorremos ao uso da emergente Termodinâmica Estatística Informacional (TEI), que está baseada no fonnalismo de ensemble de não equilíbrio conhecido como o Método do Operador Estatístico de Não-Equilíbrio (MOENE). Este método oferece bases microscópicas (mecano-estatísticas) para a construção de uma teoria cinética quântica não-linear . Desenvolvemos estudos adicionais da TEI baseada no MOENE, o que consistiu principalmente na determinação do espectro de autovalores do Operador de Entropia Estatística Informacional, uma quantidade que joga um papel central no MOENE. Consideramos sistemas descritos em termos de operadores de partículas individuais e obtivemos uma forma generalizada para a Entropia Informacional do sistema. Deduzimos expressões para a matriz dinâmica de Wigner-Landau e, em particular, para as funções de distribuição de não equilíbrio de quasi-partículas. Como uma aplicação do método a sistemas de grande interesse em fisica do estado sólido, temos desenvolvido e estudado em detalhe a termodinâmica irreversível e as propriedades ópticas de semicondutores polares sob a ação contínua de radiação eletromagnética na região do ultravioleta. O MOENE nos permitiu estudar , ao nível estatístico microscópico, os processos dissipativos no sistema e obter as equações quânticas de transporte para as quantidades relevantes. Consideramos o caso de materiais em volume (tridimensional) e fios quânticos (quasi-unidimensional). Na versão da teoria para sistemas homogêneos estudamos a termodinâmica dos estados estacionários e fizemos uso da generalização (na TEI) do critério de evolução de Glansdorff-Prigogine para determinar o comportamento temporal assintótico da densidade de partículas e energia no semicondutor. Estudamos os mecanismos de relaxação e excitação envolvidos, mostrando a relevância da interação de Fröhlich no processo de dissipação de energia. Mostramos que os estados estacionários são estáveis sob qualquer condição de não equilíbrio e que, neste caso, o teorema de mínima produção de entropia informacional é valido ainda fora do regime linear perto do equilíbrio. Fazendo uso da versão mais geral da teoria, que permite tratar sistemas não-homogêneos, estudamos o comportamento temporal e espacial da densidade de carga no sistema deportadores. Obtivemos equações de transporte para a matriz de Wigner-Landau e uma expressão geral da função dielétrica de não-equilíbrio que contém, em particular , a interação entre os portadores e os fônons longitudinais ópticos. O estudo da seção eficaz de espalhamento Raman eletrônico nos permitiu identificar o conjunto de excitações elementares presentes no sistema em condições de não equilíbrio. Caraterizamos dois modos coletivos de oscilação, identificados como os plasmons óptico e acústico, e duas bandas caraterísticas das excitações de partículas individuais (de elétrons e buracos). Mostramos que a função dielétrica estática se pode anular a altas intensidades de radiação, o que está relacionado a uma instabilidade do estado espacialmente homogêneo de densidade de carga. Nesta instabilidade ( ou bifurcação das soluções estacionárias) surge, no sistema, uma estrutura espacial de densidade estacionária de carga devido a um processo de auto-organização do sistema de elétrons assistido pela interação Coulombiana. Cálculos numéricos mostram, não obstante, que esta transição não pode ser observada experimentalmente devido à alta intensidade de radiação requerida. No estudo de semicondutores quasi-unidimensionais, estudamos os estados homogêneos e não homogêneos obtendo uma expressão para a densidade fotoinjetada como função da intensidade do campo de radiação. Foi determinada a dependência da densidade com a temperatura e o diâmetro do fio. A análise numérica do espectro Raman eletrônico nos permitiu identificar as excitações elementares no sistema. Como no caso tridimensional, foram encontrados dois modos coletivos de oscilação, um de mais alta frequência que chamamos plasmon superior (a versão em não equilíbrio do conhecido plasmon intrasubbanda) e outro, menor em frequência, o plasmon inferior (uma espécie de modo acústico). A mais, foram identificados também duas bandas caraterísticas dos contínuos de excitações individuais, a de elétrons e a de buracos. Obtivemos expressões analíticas para a relação de disperssão do plasmon superior e estudamos seu comportamento com a intensidade: A baixos níveis de radiação, a frequência do plasmon superior aumenta monotónicamente com a intensidade entanto que a altas intensidades a frequência atinge um máximo e começa diminuir até se anular numa intensidade crítica; além desta intensidade a frequência se toma imaginária. Este fenômeno está relacionado a uma mudança no regime do movimento do plasmon, que vai de oscilatório amortecido a super-amortecido / Abstract: The main objective of the work performed for this thesis consists in the study of some aspects of the Thermodynamics of open non-equilibrium (dissipative) systems. Many systems maintained far away from equilibrium are governed by nonlinear kinetic laws, a fundamental condition for complex bahavior to arise. To this area belongs most systems in natural sciences especially in physics, chemistry and biology .We have resorted to the use of the emerging Informational Statistical Thermodynamics (IST), which is based on the non-equilibrium ensemble formalism consisting in what is known as the Non- Equilibrium Statistical Operator Method (NESOM). This method provides microscopic (statistical-mechanical) basis for the construction of a nonlinear quantum kinetic theory of a large scope. We have performed further studies of NESOM-based IST, mainly the determination of the eigenvalue spectrurn of the so-called Informational Statistical Entropy Operator which plays a fundamental role in the theory .We consider systems describable in terms of single-quasi-particles obtaining a generalized form of the Informational Entropy. Moreover, expressions for the Wigner-Landau single-particle density matrix and, in particular , for distribution functions of quasi-particles are also derived. An application of large interest in solid state physics is developed and presented in detail. It consists in the study of the irreversible thermodynamics and the optical properties of a direct-gap polar semiconductor under the constant action of electromagnetic radiation in the UV-band. NESOM allows us to study, at the statistical microscopic leveI, the dissipative processes in the system and to obtain the quantum transport equations for the relevant quantities which describe the evolution of the macrostate of the system. We consider the cases of bulk (three-dimensional) matter and (quasi-one-dimensional) quantum wires. ln the version of the theory used to deal with homogeneous systems we study the thermodynamics of the steady states and resort to a generalization of the Glansdorff-Prigogine criterion of evolution in order to determine the asymptotic temporal behavior of the densities of energy and particles in the semiconductor. We study the excitation and relaxation mechanisms involved showing the relevance of Fröhlich interaction in the energy-dissipation processes. We show that the stationary states are stable whatever the non-equilibrium conditions and that the theorem of minimum informational entropy production is valid even for situations far away from the linear regime near equilibriwn. With the most general version of the theory , which allows to deal with non-homogeneous systems, we study the spatial and temporal behavior of the charge density in the carrier system in the semiconductor. Non-linear transport equations for the Wigner-Landau single-particle densitymatrix and a general expression for the non-equilibrium dielectric function including, in particular , the interaction between carriers and longitudinal optical phonons, are obtained. The study of the electronic Raman scattering cross section permits us to identify the elementary excitations in the system in non-equilibrium conditions. We can characterize two collective modes of charge density oscillation, identified as optical and acoustic plasmons, and two peaks characteristic of single-particle excitations (of electrons and of holes). We show that the static dielectric function becomes null for a sufficiently high radiation intensity , what is related to an instability of the spatially homogeneous state. At this instability (or bifurcation of the stationary solutjons) a charge density structure, due to a self-organization process in the electronic system assisted by the long-range Coulomb interaction, is established. Numerical calculations show, however , that this instability could be of difficult experimental observation because of the high radiation intensity required. In the case of the quasi-one-dimensional semiconductor we study both homogeneous and non-homogeneous states, obtaining the photoinjected carrier density as function of the radiation intensity .The dependence of the carrier density on both the diameter of the wire and canier quasi-temperature is also studied. Numerical analysis of the electronic Raman spectrum allows us to identify the elementary excitations in this system. Like in bulk matter two collective modes are found: One higher in frequency, which we call an upper-plasmon and another one, of lower frequency, a lower-plasmon (a kind of acoustic collective mode). Moreover two continua of single-particle excitations are also identified. We obtain expressions for the frequency-dispersion relation of both collective modes and present an analysis of the behavior of the upper-plasmon with the intensity: At low radiation levels, the frequency of the upper-plasmon increases monotonicaly with the intensity , whereas in the high radiation regime the frequency starts to decrease and might, eventually, become null. This effect is thought to be related to a change of regime in the motion of the upper-plasmon, going from damped undulatory motion to an overdamped one / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Roberto Luzzi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-15T09:09:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valadares_EduardodeCampos_M.pdf: 1440562 bytes, checksum: 42ae43f6440a8681b2ee21262d3fcc07 (MD5) Previous issue date: 1981 / Resumo: A Termodinâmica dos Processos Irreversíveis e revista dum ponto de vista básico. Um esquema fenomenológico estendendo o tratamento fenomenológico clássico dos problemas de transporte (processos simultâneos e mutuamente interferentes) incluindo as relações de Onsager é proposto. Relações não-lineares entre gradientes de quantidades intensivas (forças) e correntes (fluxos) são introduzidas ("regime não linear efetivo"), as quais conduzem às relações lineares usuais ("regime linear") como um limite assintótico. Um exemplo ilustrativo é apresentado (Efeito Termoelétrico) e outros casos são indicados. Finalmente são feitos alguns comentários críticos sobre o domínio de validade do formalismo introduzido / Abstract: Irreversible Thermodynamics is reviewed from a basic standpoint. A phenomenological scheme extending the classical phenomenological approach to transport problems (simultaneous and mutually interfering processes) including Onsager's relations is proposed. Non-linear relations between gradients of intensive quantities (forces) and currents (fluxes) are introduced ("non-linear effective regime") which lead to the usual linear relations ("linear regime") as na asymptotic limit. An illustrative example is presented (Thermoelectric effect) and other cases are indicated. Finally, some critical comments on the validity's domain of formalism introduced are made / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Jose Tadeu Jorge / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Agricola / Made available in DSpace on 2018-07-22T11:14:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leal_PauloAdemarMartins_D.pdf: 10219246 bytes, checksum: db1e0ab7fff019c1b25f96b79da50fcc (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: Processos psicrométricos são muito usados na Engenharia Agrícola, para o condicionamento do ar, com a finalidade de manter ambientes climatizados de maneira adequada para conservar produtos agrícolas, por mais tempo e com qualidade. Este trabalho teve como objetivo principal a aplicação da metodologia de avaliação dos processos psicrométricos (aquecimento do ar por resistências elétricas; aquecimento e umidificação do ar por água quente; umidificação e aquecimento do ar; resfriamento do ar por contato direto com evaporador aletado; resfriamento do ar por água gelada; resfriamento evaporativo do ar e; finalmente, dois processos distintos de mistura adiabática de duas correntes de ar) utilizando os conceitos definidos pela combinação do 12e 22 Leis da Termodinâmica: exergia e irreversibilidade, num sistema adaptado para a geração dos processos psicrométricos descritos acima; comparando-se as eficiências energéticas com as eficiências exergéticas. Procurou-se, ainda, aplicar tal metodologia em estudos de casos de conservação, primeiro, do produto perecível: tomate cereja (Lycopersicum escu/entum MiI/.) através dos processos psicrométricos de resfriamento do ar por contato direto com evaporador aletado, resfriamento do ar por água gelada e resfriamento evaporativo do ar. Segundo, do produto deteriorável: sementes de soja (G/ycine maxu) via aquecimento do ar por resistências elétricas com altas vazões, resfriamento do ar por contato direto com evaporador aletado e, finalmente, aquecimento do ar por resistências elétricas com baixas vazões. Com equipamentos e instrumental adequados, variou-se, basicamente, em cada processo, gerado pelo Sistema Gerador de Processos Psicrométricos (SIGEP), as vazões e as potências elétricas requeridas pelos diferentes sistemas de condicionamento do ar e, com um sistema de aquisição de dados aclopado a um microcomputador, obtevese, principalmente, as temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido de pontos Paulo Martins Leal estratégicos, dentro e fora do volume de controle, a fim de efetuar as análises energética e exergética. Como resultado principal, pode-se afirmar que a metodologia de avaliação pela 1B e 2B Lei da Termodinâmica aplicada em processos psicrométricos de condicionamento de ar é tecnicamente viável. Notou-se, ainda, através dos resultados obtidos, que a avaliação baseada exclusivamente na 1BLei da Termodinâmica avaliação energética), em quase a totalidade dos processos gerados pelo SIGEP, era menos rigorosa que a avaliação exergética; fornecendo com isso uma falsa idéia da real capacidade de realizar trabalho de um sistema, pois apresentava valores de eficiências energéticas, quase sempre, muito superiores daqueles calculados pela avaliação exergética. Pode-se concluir, também, que os equipamentos, acoplados ao SIGEP e, responsáveis, principalmente, pela mudança nas condições do ar de entrada, apresentaram um alto índice de irreversibilidade devido ao fato de terem sido dimensionados, exclusivamente, com a finalidade de atingir uma condição psicrométrica específica e não, de serem eficientes, do ponto de vista termodinâmico. Finalmente, tanto para o estudo de caso com o produto perecível quanto para o estudo de caso com o produto deteriorável, a metodologia de avaliação exergética mostrou-se, tecnicamente viável e de tão fácil uso quanto a metodologia de avaliação energética / Abstract: Psychrometric processes are well used in Agricultural Engineering to conditioning air for environment control of animais and plants, on processes of drying foods, and finally on fruits and vegetables preserving facilities. This research had, as major objective, the application of methodology to evaluate the following psychrometric processes: heating air by electrical resistances; heating and humidifying air by hot water; humidifying and heating air; cooling and dehumidifying moist air by direct contact with cooling coi!; cooling and dehumidifying moist air by chilled water; evaporative air cooling; and, finally, two differents adiabatic mixings of two streams of moist air; through the use of theory which combines the first and the second principies of Thermodynamic: exergy and irreversibility, into an adapted system of generating psychrometric processes. It was possible, also, to compare the results between energetic , and exergetic efficiencies. The above methodology was applied to study of cases, such as: the conservation of the perishable product: Cherry Tomato (Lycopersicum escu/entum Mi//.) by using three differents psychrometric processes: - cooling moist air by direct contact with cooling coi!; - cooling moist air by chilled water; and - evaporative air cooling. And the conservation of deteriorative product: Soybean seeds (G/ycine max..) by using the following processes: - heating moist air by electrical resistances with high flow; - cooling and dehumidifying moist air by direct contact with cooling coi!; and heating air by electrical resistances with low air flow. With the Psychrometric Processes System Generator (SIGEP), and others appropriate apparatuses, where air flow and electrical power from different systems of air conditioning were the most important variables of changing. It was feasible, with the use of a data acquisition system attached to a microcomputer, to obtain data of dry bulb temperature, and the wet bulb temperature from different locations of the SIGEP's control volume. These parameters plus local atmospheric pressure were enough to determine the Paulo Martins Leal state of the air inlet and outlet, which made possible to apply the energetic and exergetic analysis. The principal result obtained from this research was that the methodology based on the valuation through the first and second law of Thermodynamic was technically viable on the analysis of psychrometric processes. It can be observed that energetic valuation, in almost every process generated by the SIGEP provided less rigorous criteria than exergetic analysis. Thence it follows that energetic efficiency gave a false idea of the real efficiency of a process, since it showed values, most of the time, much greater than those obtained by the exergetic efficiencies. It can be concluded also that the equipments attached to the SIGEP had a high levei of irreversibilities due to the fact they were designed to meet special psychrometric conditions majorly, and regardless the levei of efficiency at that time. Finally, it was observed that exergetic analysis is also viable to be applied on the study of cases with the perishable and deteriorative products / Doutorado / Pre-Processamento de Produtos Agropecuarios / Doutor em Engenharia Agrícola

Orientadores: Aurea Rosas Vasconcellos, Roberto Luzzi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-23T08:51:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fonseca_AlexandreFontesda_M.pdf: 2049198 bytes, checksum: adfb1c46fde6fc464705913e862f0394 (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: Em polímeros constituídos por uma cadeia de moléculas orgânicas calculamos a evolução temporal e o estado estacionário da população dos modos polares de vibração. Para tal fim recorremos a uma teoria cinética não-linear, derivada de um particular "ensemble" estatístico de não-equilíbrio. Os modos polares são levados para uma situação longe do equilíbrio termodinâmico através da ação de uma fonte de energia externa e é considerada a interação anarmônica destes com um meio contínuo elástico. As equações resultantes formam grupos de modos polares acoplados via termos não-lineares. Será feito, então, um estudo da contribuição dos termos não-lineares, na equação cinética, para o cálculo das populações dos modos polares. A partir disso, calculamos algumas propriedades termodinâmicas de não-equilíbrio deste sistema. Verificamos os critérios de evolução temporal e de estabilidade de estados estacionários fora do equilíbrio termodinâmico. No final, propomos uma experiência visando medir a população dos modos polares através de Espectroscopía Raman. Comentamos os resultados esperados / Abstract: For the case of polymeric materials consisting in chains of organic molecules, we study the temporal evolution and the steady-state of the populations of vibrational polar modes. For this purpose we resort to a nonlinear quantum kinetic theory derived on the basis of a particular nonequilibrium statistical ensemble formalism. These polar modes are driven away from equilibrium by the action of an external pumping source and are considered to be in anharmonic interaction with an elastic continuum. The resulting equations of evolution consists into a set of equations coup1ing the terms. We present a study of the influence of these non1inearities in the kinect equations, which give rise to some particular type of complex behavior. Moreover, we pursue the analysis of some thermodynamic properties of the system. It is verified the criterion of temporal evolution and the criterion of stability of nonequilibrium steady-states of the Generalized Thermodynamics of irreversible processes. Finally, it is proposed an experiment in Raman spectroscopy as a possible way for experimental corroboration of the results of the theory / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Santiago del Rio Oliveira / Banca: Vicente Luiz Scalon / Banca: Maurício Silva Ferreira / Resumo: Uma modelagem matemática foi desenvolvida para um ciclo Brayton irreversível adicionado processos de regeneração, inter-resfriamento e reaquecimento. s irreversibilidades são provenientes da resistência térmica nos trocadores de calor, das perdas de carga nas tubulações, do comportamento não isotrópico dos processos adiabáticos de expressão e compressão e da perda de calor para a fonte fria. Cinco diferentes critérios de otimização foram escolhidos para serem analisados e comparados: potência de saída, eficiência térmica, função ecológica, coeficiente ecológico de desempenho (ECOP) e densidade de potência. O primeiro processo de otimização é realizado numericamente de forma a buscar as temperaturas ótimas para a configuração do ciclo. Como os resultados indicam que as razões de pressão para o primeiro estágio de compressão e expansão também apresentam um valor ótimo é realizada uma segunda otimização numérica de maneira a encontrar estas razões ótimas. Os resultados obtidos indicam a influência dos parâmetros construtivos no desempenho da planta de potência e também as características inerentes à utilização de cada critério de otimização. Por fim, uma terceira otimização é efetuada numericamente visando uma distribuição ótima do número de unidades de transferência total entre os trocadores de calor com o intuito de buscar a melhoria nos resultados obtidos para os cinco critérios. Estes resultados são então examinados e uma última comparação é feita averiguando as vantagens e desvantagens da utilização de casa critério escolhido / Abstract: A mathematical modeling was developed for an irreversible Brayton cycle adding processes of regeneration, intercooling and reheat. The irreversibilities are from heat resistance in the heat exchangers, pressure drops in pipes, non-isentropic behavior of the compression and expansion adiabatic processes and heat loss to the cold sink. Five different optimization criteria were chosen to be analyzed and compared power output, thermal efficiency, ecological function, ecological coefficient of performance (ECOP) and power density. The first optimization process is performed nemerically in order to get the optimum temperatures for the cycle configuration. As the results indicate that the pressure ratios for the first stage of compression an expansion also present an optimum value it is done a second numerical optimization to find these optimus ratios. The results show the influence of constructive parameters in the power plant performance and also the characteristics inherent in the use of each optimization criterion. Finally, a third optimization is performed numerically amining at an optimal distribution of the total number of transfer units between the heat exchangers in oder to seek the improvement of the results for the five criteria. These results are then examined and a final comparison is made by examining the advantages and disadvantages of using each criteria chosen / Mestre

Orientador : Waldyr Luiz Ribeiro Gallo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-28T19:33:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gomes_ChristianMarquezini_M.pdf: 7331762 bytes, checksum: c51ccccfdba6ca44c12f8ecbd832d0a3 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Neste trabalho é apresentada a análise termodinâmica de uma termelétrica em ciclo combinado e com cogeração de vapor, tendo como combustível o gás natural, verificando-se a importância de parâmetros como a razão de pressão e máxima temperatura da turbina a gás sobre o desempenho do ciclo. Analisa-se ainda o comportamento da turbina a gás e do ciclo combinado em cargas parciais através de dois diferentes métodos de modulação da potência (IGV e controle da temperatura dos gases na entrada da turbina), utilizando-se de equações encontradas na literatura técnica e que descrevem o comportamento dos principais equipamentos da termelétrica. Realiza-se ainda a análise energética da planta, identificandose os componentes com maior geração de irreversibilidade, avaliando-se o desempenho da planta em cargas parciais. Tendo-se como base a análise energética desenvolve-se a análise termoeconômica, determinando-se os custos energéticos e monetários dos principais produtos da planta (potência e vapor de processo), tanto para a condição nominal como em cargas parciais / Abstract: This work presents a thermodynamic analysis of a cogeneration combined cycle plant, burning natural gas, evaluating the importance of pressure ratio and gas turbine firing temperature on the cycle's performance. The gas turbine and combined cycle's efficiencies at partialloads are determined using equations that describe the characteristics of the main components. An energetic analysis is performed, identifying the largest irreversibility¿s and the plant's energetic efficiency at partialloads. The thermo economic analysis was developed to determine the energetic costs and monetary costs for the main products (power and process steam), both at nominal condition and at partialloads / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-19T19:25:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_RogerioJoseda_D.pdf: 51939278 bytes, checksum: 9b2cad9e3b997c00688f52ad714e3e9b (MD5) Previous issue date: 1994 / Resumo: Este trabalho apresenta uma análise energética dos processos de fabricação de cimento Portland, tendo como base a avaliação de eficiência pela 2a Lei da Termodinâmica, em que são aplicados os conceitos de Eficiência Racional e Análise Termoeconômica. No trabalho são discutidas as principais características das matérias-primas utilizadas e as reações de seus compostos na fabricação do clínquer, principal constituinte do cimento Portland, bem como dos combustíveis, que afetam o consumo de energia do processo. As características dos quatros principais processos de fabricação de cimento, quanto à forma de preparação das matérias-primas, consumo específico de calor, e consumo de energia elétrica também são discutidas, obtendo-se subsídios para a análise de eficiência energética. Como resultados são apresentadas as comparações entre as eficiências exergéticas dos processos: de via úmida, de via semi-seca em Fomos Lepol, de via seca em fomo com preaquecedor de ciclones, e de via seca em fomo com precalcinador e preaquecedor. Também são apresentados os resultados da análise termoeconômica para os mesmos processos, em que se compara eficiência exergética, custo exergético unitário, custo da energia por quilograma de cimento produzido, etc. Por fim são comparadas as emissões de poluentes de cada processo, bem como discutidas as formas de atenuação em cada um deles / Abstract: This work presents an energetic analysis of the production processes of Portland Cement, based in the evaluation of the efficiency through the second law of thermodynamics and the concepts of rational efficiency and thermoeconomy. The characteristics of the raw materiaIs, the reactions of their compounds in the clinker manufacturing, and the fuels used are discussed, pointing their relations with the energy consumption in the processo The characteristics of the four main manufacturing processes are discussed, taking into account the preparation of the raw materials, the specific heat and electric energy consumption, getting informations for the energetic efficiency analysis. Results are presented about the exergetic efficiency of the four processes: wet and semi-wet kilns, Lepol kiln, dry process with cyclone preheater and precalciner. The results of the thermoeconomic analysis are presented for the same processes; the exergetic efficiency, the unit exergetic cost, the energetic cost of production, etc. The emissions of the pollutants in each process are shown and the ways of diminishing them are discussed. / Doutorado / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador : Roger Josef Zem / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-09-11T21:00:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Faria_SergioHenriqueBernardode_D.pdf: 4922037 bytes, checksum: 89a2b8549eebabf31b90e85dd94e0dd7 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: Destilação é um dos processos de separação que mais consome energia. Isto é motivação importante para o estudo de diferentes configurações de sistemas de destilação, com o objetivo de obter-se processos mais eficientes, que desperdicem menos energia e causem menor impacto ambiental. No estudo de diferentes configurações de sistemas de destilação, necessariamente tenta-se encontrar a combinação ótima entre os fatores: Número de estágios, razão de refluxo, condição térmica da alimentação, estágio de alimentação e a utilização de trocadores intermediários. Neste trabalho, um método para encontrar esta combinação ótima, do pronto de vista da termodinâmica, é proposto. O método se baseia na análise de colunas de destilação através do estudo de perfis de perdas de exergia. O perfil de perdas de exergia, montado a partir de balanços de exergia em cada estágio de uma coluna de destilação, representa a distribuição de forças motrizes ao longo da coluna. É a análise do formato do perfil que permite identificar mudanças necessárias na coluna para que a sua eficiência aumente. Os testes feitos para colunas com o sistema °metanol/água, mostraram que os perfis obtidos efetivamente representam a distribuição de forças motrizes na coluna, desde que as propriedades entalpia, entropia e energia de Gibbs, envolvidas nos cálculos, sejam consistentes entre si. Para isto, foi provado que é necessário considerar-se os valores de excesso destas propriedades. Estendendo um pouco o trabalho, análises mais detalhadas mostraram que é possível desprezar-se os valores de entalpia de excesso, obtendo ainda assim perfis coerentes. Este procedimento tem a vantagem de permitir que o método seja estendido a sistemas muIticomponentes. Por fim, o perfil de perdas de exergia foi utilizado para direcionar modificações em duas colunas (acetona/água e etanol/água), com o objetivo de aumentar a eficiência termodinâmica destas colunas. Foi constatado que as colunas finais obtidas são termodinamicamente mais eficientes que as originais / Abstract: The most frequently used method of separating fluid mixtures is by distillation, which uses significant amounts of energy. For this reason, the study of column design modifications with respect to energy consumption, has been the subject of many recent works concerning the energy efficiency of distillation columns. Column design modification involves options such as different number of stages, reflux ratios, feed stage location, feed condition and the benefit of using side-condensers or/and side reboilers. In this work a new procedure to find the best combination of these options, from a thermodynamic point of view is presented. In this method, exergy loss profiles are used to analyse different columns layouts. The exergy loss profile is obtained from a stage-to-stage exergy balance and represent the distribution of driving forces in the column. Critical analysis of profile shapes identifies necessary column modifications to lead to higher column efficiency. The methodology was tested to a separation of a high nonideal mixture (methanol/water), concluding that exergy loss profiles can represent the distribution of driving forces in the column. However, to ensure thermodynamic consistency, when dealing with nonideal systems excess properties cannot be ignored. Detailed studies showed that it is possible to simplify the method, ignoring excess enthalpy contribution and still ensure reasonable thermodynamic consistency. This modification allows the method to be applied to multicomponent systems. Finally, exergy 10ss profiles were used to identify suitable column modifications for acetone/water and ethanol/water splits. Results showed that the columns obtained after modifications are thermodynamically more efficient / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Este trabalho procura responder a questão: \"quais as barreiras conceituais que impedem a compreensão da segunda lei da Termodinâmica pelos estudantes? A partir de três questões apresentadas a estudantes do terceiro ano do ensino médio e do primeiro ano do curso superior de licenciatura em física, foram coletadas as respostas produzidas; posteriormente analisadas, permitiram a explicitação de concepções que, confrontadas com as idéias da Termodinâmica clássica, revelaram um raciocínio inadequado. A idéia de sistema centrado no objeto, parece constituir uma barreira conceitual difícil de transpor; assim também ocorre com os conceitos de processo e transformação exibidos pelo senso comum. Tais conceitos são fundamentais para o estabelecimento da Termodinâmica e devem ser pensados no trabalho em sala de aula capaz de produzir conflitos cognitivos com meta a uma mudança conceitual. Por outro lado, numa perspectiva histórica, foi possível identificar alguma ressonância entre as idéias dos estudantes e o desenvolvimento da concepção de calor; focalizamos especialmente as idéias de Carnot e de Clausius ao longo da elaboração das leis da Termodinâmica. O trabalho também identificou lacunas decorrentes da forma como os conteúdos científicos são apresentados na sala de aula e nos livros didáticos o que pode explicar as dificuldades encontradas. Finalmente, o trabalho apresenta subsídios de relevância pedagógica que podem contribuir para a melhoria do ensino da Termodinâmica no nível médio, com atividades especiais que tocam nos pontos conflitantes entre as concepções dos estudantes e o conhecimento científico. / This work aims to answering the following question: what are the conceptual barriers that prevent students from understanding the second law of Thermodynamics ? Starting from three questions that were proposed to third year secondary school and to first year physics teaching university students, the collected answers were analysed and led to an explicitation of conceptions that disclose inadequate reasoning when confronted with the ideas of classical Thermodynamics. The idea of a system centered on the object seems to be a conceptual barrier that is difficult to overcome and the same happens with the concepts of process and change that are usual in commonsense. But these concepts are essential for the fundamentals of Thermodynamics and should be used in class work to create cognitive conflicts aiming to a conceptual change. On the other hand, from a historical perspective, it was possible to identify some of the students ideas in the development of the concept of heat particularly in the development of the ideas of Carnot and Clausius in the elaboration of the laws of thermodynamics. The work has also identified gaps resulting from the way scientific contents are presented in the classroom and in textbooks that could explain the students difficulties. At last, the work presents pedagogically relevant contributions that may be helpful in teaching thermodynamics in secondary schools with special activities that touch points that are conflicting between students conceptions and scientific knowledge.

Orientador: Santiago del Rio Oliveira / Banca: Vicente Luiz Scalon / Banca: Avalone, Elson / Resumo: Desenvolver e projetar plantas de potência otimizadas é uma constante e antiga busca da engenharia de energia. Para tal, os modelos de ciclos foram constantemente aprimorados ao longo do tempo. Através de estudos que procuram incorporar funções que descrevam a realidade mais precisamente, o equacionamento de irreversibilidades presentes nos processos e dispositivos reais de interações de trabalho e calor é vasto na literatura. Uma modelagem matemática foi desenvolvida para um ciclo Brayton irreversível com inter-resfriamento, regeneração e reaquecimento. As irreversibilidades consideradas são provenientes das resistências térmicas nos trocadores de calor do ciclo, do comportamento não isentrópicos dos elementos de expansão e compressão, da perda de calor para o reservatório frio e das perdas de carga nas tubulações ao longo do escoamento do fluido de trabalho. O método de otimização escolhido foi uma função termoeconômica a qual relaciona potência líquida com diversos tipos de custos de uma planta de potência, tais como custos de investimentos, de combustíveis, ambientais e de operação e manutenção. A modelagem matemática consistiu em determinar todas as temperaturas e parâmetros de interesse do ciclo através do conhecimento de apenas uma temperatura, denominada temperatura de controle. A partir de variações nesta temperatura foi possível estabelecer o comportamento dos demais parâmetros do ciclo e relacioná-los com irreversibilidades e parâmetros construtivos. O presente tra... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Developing and designing optimized power plants is a constant and ancient search for energy engineering. For this, cycles models have been constantly improved over time. Through studies that seek to incorporate functions that describe the reality more precisely, the equating of irreversibility present in real processes and devices of work and heat transfer interactions is vast in the literature. A mathematical modeling has been developed for an irreversible Brayton cycle with inter-cooling, regeneration and reheating. The irreversibility considered are due to thermal resistances in the heat exchangers of the cycle, to the non-isentropic behavior of the elements for expansion and compression, to the heat loss to the could reservoir and to the head loss on the pipes along the working fluid flow. The optimization method chosen was a thermoeconomic function that relates the net power to various types of costs of a power plant, such as investment costs, fuel costs, environmental costs and operation and maintenance costs. The mathematical modeling consisted on determining all the cycle temperatures and parameters of interest through the knowledge of only one temperature, called control temperature. From variations in this temperature, it was possible to establish the behavior of the other parameters of the cycle and relate them to irreversibility and constructive parameters. The present work presented a model of Brayton cycle not found in the literature, coupled several sources of ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre