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: Waldyr Luiz Ribeiro Gallo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-24T22:38:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Torres_EdnildoAndrade_D.pdf: 13527046 bytes, checksum: 2bdddb79f470aacf65fd63fc3a41cb13 (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: Este trabalho faz uma análise exergética e termoeconômica da central de cogeração do Pólo Petroquímico do Nordeste. A unidade termoelétrica analisada está em funcionamento há mais de vinte anos e opera fornecendo energia elétrica, vapor, gases industriais etc., para as empresas coligadas deste pólo. O principal combustível utilizado é o resíduo asfáltico; entretanto, há complementação com resíduos líquidos e gasosos provenientes do próprio processo. A energia elétrica é gerada em turbogeradores a vapor e a gás; complementandoa demanda elétrica do pólo é importada parte da energia elétrica da concessionária, fonnando o pool de energia a ser distribuída com as empresas coligadas. O vapor, após ser expandido nas turbinas (ainda superaquecido) é em parte utilizado no processo e o restante é exportado para o complexo industrial. Foi realizada uma análisecom base na segunda lei da termodinâmica e são apresentadas as eficiências exergéticas para os principais subsistemas, assim como são também calculadas as irreversibilidades. São identificados os sistemas que apresentam as principais perdas exergéticas como também a sua participação com relação à perda total da planta. A análise termoeconômica é um dos pontos fundamentais do trabalho, pois são mostrados os custos exergéticos unitários e monetários para os principais fluxos energéticos, para os volumes de controle estudados. Esta análise é realizada para diversos casos, simulada com dados reais de operação em dois períodos distintos, assim como também para possíveis cenários que poderão ocorrer de acordo com a realidade operacional da unidade industrial / Abstract: This work makes an exergetic and thermoeconomic analysis on the cogenaration system of a Petrochemical Complex. The cogeneration unit analysed has been operating for more than twenty years, and operates supplying electric energy, steam, industrial gases, among other utilities, to the companies associated with the ComplexoThe main fuel used is the refinery residual fuel-oil; however, there are fuel suplements like residual liquids and gases coming from the Petrochemical plant. The electric energy is produced by steam turbogenerators and gas turbines. To supply the energy Complex demand, part of the electric energy is imported from the national grid, giving rise to the pool of energy to be distributed to the associated companies. After the steam has been expanded in the turbines (still superheated), part of it is used in the petrochemical process, part is exported to the industrial complex. Once a second law analylis for the main subsystems is made, and the exergetic efficiencyis presented, the irreversibilities are calculated. The systems presenting the greater exergetic losses are identified, (and) their participation in the totalloss of the plant is weighted. The thermeconomic analysis is also central point in this work, since it shows the exergetic unit cost and monetary, of each flow and to the also control volumes analyzed. This analylisisapplied to different cases, simulated with real operational data obtained in two different periods, and also to to scenary cases which can occur according to operational decisions, or fuel and electricity cost variations / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Aurea Rosas Vasconcellos, Roberto Luzzi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-07-24T22:08:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sousa_MarcusViniciusMesquitade_D.pdf: 9957902 bytes, checksum: 0b2915439655c844eb923673c5c58657 (MD5) Previous issue date: 1998 / Resumo: O objetivo desta tese é apresentar uma Mecânica Estatística de Sistemas Não-lineares e uma Termodinâmica de processos irreversíveis apropriadas para tratar os assim chamados sistemas complexos. Mais precisamente, foi o de utilizar dois poderosos enfoques para o tratamento de sistemas dinâmicos não-lineares, a saber: - a Mecânica Estatística Preditiva - baseada na Teoria da informação - na parte correspondente ao Formalismo dos Ensembles de Não-Equilíbrio (NESOM), onde usamos o enfoque de Zubarev; - a Termodinâmica Estatística Informacional (IST). Estas teorias foram aplicadas ao estudo de sistemas de partículas tipo boson, como são os fonons e éxcitons em matéria condensada via o uso do formalismo MaxEnt-NESOM, e a Termodinâmica Irreversível (IST) e Teoria da Função Resposta dele derivadas, temos podido fazer um estudo com certa profundidade do comportamento de matéria condensada quando efeitos não-lineares estão presentes. No caso dos bosons considerados - fonons ópticos e acústicos e éxcitons em polímeros orgânicos, sistemas biológicos e semicondutores, - pudemos, a partir de uma base mecânica microscópica, evidenciar comportamento complexo num nível macroscópico e analisar particularmente tal comportamento nesses sistemas dinâmicos não-lineares, evidenciando três notáveis fenômenos, que são: - Condensação Frôhlich-Bose-Einstein (Efeito Frôhlich); - Propagação de sólitons de Schrôdinger-Davydov de vida média muito longa; - O efeito Frôhlich-Cherenkov / Abstract: We present a Statistical Mechanics for nonlinear systems and a Thermodynamics of irreversible processes capable to deal with the so-called complex systems. Two powerful approaches have been used, namely - Predictive Statistical Mechanics -based on Information Theory -in what consists of the Nonequilibrium Ensemble Formalism (NESOM), and Zubarev's approach is used, - Informational Statistical Thermodynamics (IST). These theories have been applied to the study of systems of bosons, like phonons and excitons in condensed matter . Resorting to NESOM and IST we have studied with a certain depth the behavior of condensed matter when nonlinear effects are present. We have considered optical and acoustical phonons and electronic excitons in organic polymers, biological systems, and semiconductors, evidencing complex behavior consisting of three remarkable phenomena: - Frôhlich-Bose-Einstein condensation (Frôhlich Effect); - Propagation of near undamped Schrôdinger-Davydov solitons; - A so-named Frôhlich-Cherenkov Effect / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Dutos retangulares são muito utilizados em dispositivos trocadores de calor. Este trablaho visa investigar, usando um modelo computacional, os efeitos da geração de entropia provocadas pelas irreversibilidades decorrentes do atrito viscoco do escoamento e das resultantes da transferência de calor em escoamentos laminares com perfis térmicos e hidrodinamicamente desenvolvidos. Esta investigação permite avaliar a geração de entropia, a qual é influenciada pelo campo de temperatura no contorno, pelo tipo de escoamento, pelas propriedades do fluido e por parâmetros geométricos. Primeiro, o modelo calcula o campo de velocidade. Em seguida é resolvida a equação da energia, obtendo-se assim, o campo de temperatura do fluido para uma dada distribuição imposta no contorno, não necessariamente uniforme. Uma vez conhecidos o campo de velocidade e de temperatura é calculado o campo de geração de entropia por unidade de volume. Com uma dupla integração é calculada a geração de entropia global por unidade de comprimento na seção analisada. A consistência do modelo computacional é verificada pelo refino da malha e pela diminuição da tolerância. São realizadas validações dos métodos utilizados para os cálculos dos campos de velocidade e de temperatura do fluido. Várias razões de aspecto (altura por largura do duto) são estudadas para vários tipos de fluidos. A influência devida aos efeitos viscosos e da troca de calor sobre a geração de entropia é estudada para vários tipos de fluidos, variando-se o número de Prandtl.

Este trabalho busca descrever sistemas irreversíveis (aqueles que não obedecem ao balanceamento detalhado) usando o formalismo mecânico-estatístico que tem como base a dinâmica estocástica. Nossos principais objetivos são: (i) a investigação do comportamento crítico e das possíveis classes de universalidade em sistemas irreversíveis; (ii) a modelagem da dinâmica de propagação de epidemias. Primeiramente investigamos o modelo suscetível-infectado-recuperado (SIR) estocástico e espacialmente estruturado. Nesse modelo, os indivíduos são divididos em três classes: suscetível (S), infectado devido ao contato com um vizinho infectado, e um individuo infectado pode recuperar-se espontaneamente. Este modelo exibe transição de fase em que a doença se espalha e uma fase em que não há espalhamento da doença. Tratando cada par suscetível-infectado como uma conexão através da qual pode haver propagação da epidemia, mostramos que é possível estabelecer uma conexão entre o modelo SIR e o modelo de percolação. Assim, pudemos utilizar métodos da teoria de percolação usual para determinar o limiar de espalhamento epidêmico. Por meio de aproximações de campo médio dinâmico, simulações computacionais de Monte Carlo estacionárias e simulações dependentes do tempo, determinamos o ponto critico e o comportamento critico desse modelo. Ademais, propomos dois modelos para descrever um processo epidêmico de transmissão vetorial. Consideramos duas populações interagentes uma formada por vetores e a outra por hospedeiros. Os vetores podem ser suscetíveis (S) ou infectados (I), enquanto os estados permitidos para os hospedeiros são os mesmos do modelo SIR. O processo de transmissão da doença ocorre devido ao contato local de um hospedeiro (vetor) suscetível com um vetor (hospedeiro) infectado. Determinamos o limiar de infecção, o tamanho da epidemia e mostramos que ambos os modelos exibem transições de fase de segunda ordem e que pertencem à classe de universalidade da percolação dinâmica isotrópica. / This study aims to describe irreversible systems (those that do not obey detailed balance) using a statistical mechanics formalism based on stochastic dynamics. Our main objectives are: (i) to investigate the critical behavior and the possible universality classes in irreversible systems; (ii) and modeling the dynamics of epidemic spreading. First we investigate the stochastic and spatially structured susceptible-infected-recovered model (SIR). In this model, individuals are divided into three classes: susceptible (S), infected (I) and recovered (R). A susceptible individual may become infected due to contact with an infected neighbor, and an infected individual may recover spontaneously. This model exhibits a phase transition between a phase in which the epidemic spreads and a phase where there is no spreading of the disease. Treating each susceptible-infected pair as a connection through which there may be epidemic spreading, we show that it is possible to establish a connection between the SIR model and the percolation model. Thus we are able to use methods of the theory of standard percolation for determining the epidemic spreading. By means of dynamic mean-field approximations and stationary and time-dependent computational Monte Carlo simulations, we determine the critical point and critical behavior of this model. In addition, we propose two models to describe the vector transmitted epidemic process. We consider two interacting populations, one formed by vectors and other by hosts. The vectors may be susceptible (S) or infected (I), where the states allowed for the hosts are the same as those in the SIR model. Transmission of the disease occurs due to contact between a local host (vector) and a susceptible vector (host) infected. We determine the threshold of infection, the size of the epidemic, and show that both models exhibit second order phase transitions that belong to the universality class of dynamic isotropic percolation.

Este trabalho busca descrever sistemas irreversíveis (aqueles que não obedecem ao balanceamento detalhado) usando o formalismo mecânico-estatístico que tem como base a dinâmica estocástica. Nossos principais objetivos são: (i) a investigação do comportamento crítico e das possíveis classes de universalidade em sistemas irreversíveis; (ii) a modelagem da dinâmica de propagação de epidemias. Primeiramente investigamos o modelo suscetível-infectado-recuperado (SIR) estocástico e espacialmente estruturado. Nesse modelo, os indivíduos são divididos em três classes: suscetível (S), infectado devido ao contato com um vizinho infectado, e um individuo infectado pode recuperar-se espontaneamente. Este modelo exibe transição de fase em que a doença se espalha e uma fase em que não há espalhamento da doença. Tratando cada par suscetível-infectado como uma conexão através da qual pode haver propagação da epidemia, mostramos que é possível estabelecer uma conexão entre o modelo SIR e o modelo de percolação. Assim, pudemos utilizar métodos da teoria de percolação usual para determinar o limiar de espalhamento epidêmico. Por meio de aproximações de campo médio dinâmico, simulações computacionais de Monte Carlo estacionárias e simulações dependentes do tempo, determinamos o ponto critico e o comportamento critico desse modelo. Ademais, propomos dois modelos para descrever um processo epidêmico de transmissão vetorial. Consideramos duas populações interagentes uma formada por vetores e a outra por hospedeiros. Os vetores podem ser suscetíveis (S) ou infectados (I), enquanto os estados permitidos para os hospedeiros são os mesmos do modelo SIR. O processo de transmissão da doença ocorre devido ao contato local de um hospedeiro (vetor) suscetível com um vetor (hospedeiro) infectado. Determinamos o limiar de infecção, o tamanho da epidemia e mostramos que ambos os modelos exibem transições de fase de segunda ordem e que pertencem à classe de universalidade da percolação dinâmica isotrópica. / This study aims to describe irreversible systems (those that do not obey detailed balance) using a statistical mechanics formalism based on stochastic dynamics. Our main objectives are: (i) to investigate the critical behavior and the possible universality classes in irreversible systems; (ii) and modeling the dynamics of epidemic spreading. First we investigate the stochastic and spatially structured susceptible-infected-recovered model (SIR). In this model, individuals are divided into three classes: susceptible (S), infected (I) and recovered (R). A susceptible individual may become infected due to contact with an infected neighbor, and an infected individual may recover spontaneously. This model exhibits a phase transition between a phase in which the epidemic spreads and a phase where there is no spreading of the disease. Treating each susceptible-infected pair as a connection through which there may be epidemic spreading, we show that it is possible to establish a connection between the SIR model and the percolation model. Thus we are able to use methods of the theory of standard percolation for determining the epidemic spreading. By means of dynamic mean-field approximations and stationary and time-dependent computational Monte Carlo simulations, we determine the critical point and critical behavior of this model. In addition, we propose two models to describe the vector transmitted epidemic process. We consider two interacting populations, one formed by vectors and other by hosts. The vectors may be susceptible (S) or infected (I), where the states allowed for the hosts are the same as those in the SIR model. Transmission of the disease occurs due to contact between a local host (vector) and a susceptible vector (host) infected. We determine the threshold of infection, the size of the epidemic, and show that both models exhibit second order phase transitions that belong to the universality class of dynamic isotropic percolation.