Determinação de integrais primeiras liouvillianas em equações diferenciais ordinárias de segunda ordem

Nesta Tese desenvolvemos várias abordagens "Darbouxianas"para buscar integrais primeiras (elementares e Liouvillianas) de equações diferenciais ordinárias de segunda ordem (2EDOs) racionais. Os algoritmos (semi-algoritmos) que desenvolvemos seguem a linha do trabalho de Prelle e Singer. Basicamente, os métodos que buscam integrais primeiras elementares são uma extensão da técnica desenvolvida por Prelle e Singer para encontrar soluções elementares de equações diferenciais ordinárias de primeira ordem (1EDOs) racionais. O procedimento que lida com 2EDOs racionais que apresentam integrais primeiras Liouvillianas é baseado em uma extensão ao nosso método para encontrar soluções Liouvillianas de 1EDOs racionais. A ideia fundamental por tras do nosso trabalho consiste em que os fatores integrantes para 1-formas polinomiais geradas pela diferenciação de funções elementares e Liouvillianas são formados por certos polinômios denominados polinômios de Darboux. Vamos mostrar como combinar esses polinômios de Darboux para construir fatores integrantes e, de posse deles, determinar integrais primeiras. Vamos ainda discutir algumas implementações computacionais dos semi-algoritmos.

Ensaios dinâmicos de biossorção de cobre com macroalgas em leitos-fixos contendo materiais adsorventes de natureza não-biológica

A biossorção é o termo aplicado à tecnologia de adsorção de íons metálicos em solução, por meio de materiais de natureza biológica inativa, comparável à adsorção utilizando-se adsorventes convencionais. A biossorção depende da temperatura, pH, concentração inicial do íon metálico, e tipo de biosorvente. O objetivo principal dessa dissertação é estudar e comparar os processos de adsorção de cobre iônico a partir de soluções aquosas utilizando Sargassum sp., alginato de cálcio úmido e desidratado e carvão ativo em pó e granular, em regime de batelada e contínuo. O alginato de cálcio foi preparado através de uma solução 4% (m/v) de alginato de sódio gotejada em solução 37% (m/v) de cloreto de cálcio dihidratado. O alginato de cálcio apresentou uma umidade de 89% após secagem em estufa a 100C por 24 horas. Os parâmetros da biossorção foram fixados em: a dose de adsorventes de 2 g/L; a temperatura em 30C; pH da solução em 5,0; e velocidade de rotação da chapa rotatória em 150 rpm. Para os estudos de cinética e equilíbrio, os ensaios foram feitos em regime de batelada. Nos ensaios cinéticos para duas concentrações medias (0,16 e 3,15 mmol/L) variou-se o tempo de contato (1 a 120 min) para se atingir o equilíbrio. Nos ensaios de equilíbrio variou-se as concentrações (0,16 a 15,72 mmol/L) utilizando o tempo de equilíbrio determinado nos ensaios cinéticos. Foram utilizadas duas modelagens cinéticas (a de pseudo-primeira ordem e a de segunda ordem) e duas modelagens do equilíbrio (Langmuir e Freundlich). O modelo cinético de segunda ordem ajustou melhor os resultados. O tempo de equilíbrio para adsorção do cobre foi de 60 minutos para Sargassum sp. e pellets de alginatos de cálcio úmido e desidratado. Para os carvões ativos os tempos de equilíbrio para a adsorção do cobre foram mais rápidos, mas a capacidade de remoção do cobre foram muito baixas. Com base nos resultados desfavoráveis obtidos para os carvões ativos eles foram descartados para se prosseguir com os ensaios de equilíbrio. A isoterma de Freundlich melhor ajusta os dados experimentais para Sargassum sp. e alginato de cálcio úmido. A capacidade de adsorção máxima calculada pelo modelo de Freundlich: na concentração de equilíbrio de 11,66 0,06 mmol/L foi de 1,97 0,07 mmol/g para Sargassum sp.; e na concentração de equilíbrio de 12,12 0,03 mmol/L foi de 1,69 0,04 mmol/g para alginato de cálcio úmido. O processo de biossorção em regime contínuo, com alturas de leito variável de 10 a 40 cm, teve melhor desempenho com a altura de 40 cm. Em regime de batelada, o desempenho da Sargassum sp. foi superior ao dos alginatos de cálcio (úmido melhor que o desidratado), que por sua vez foram superiores ao desempenho dos carvões ativos em pó e granular (em pó melhor que o granular). O sistema contínuo com concentração inicial de cobre de 8,5 mmol/L deve ser operado com altura de leito igual ou superior a 40 cm, ou com sistemas multicolunas para soluções mais concentradas

Interações do lantânio com células livres e imobilizadas em alginato em regimes de batelada e contínuo

Este trabalho teve como objetivo descrever o potencial de biossorção de lantânio pelas microalgas Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. livres e pellets de alginato de cálcio, com e sem as microalgas imobilizadas, a partir de soluções aquosas. Para isso foram realizados estudos em regime batelada e em coluna de leito fixo. Modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e de segunda ordem e isotermas de equilíbrio de Langmuir e de Freundlich foram utilizados para a descrição quantitativa e a previsão do comportamento de adsorção do metal pelas biomassas livres e imobilizadas no sistema descontínuo. Os dados foram mais bem ajustados pelo modelo cinético de segunda ordem, com coeficientes de determinação (r2) maiores que 0,98. Foram obtidos tempos de equilibrio muito curtos, na faixa de 1-30 minutos. A isoterma de Langmuir foi a que melhor se ajustou aos dados experimentais, com valores de r2 maiores que 0,94. Foram observados valores de qmáx, isto é, a quantidade máxima de metal captado pelo biossorvente, entre 0,96 e 10,43 mmol/g. As células livres mostraram-se mais eficientes do que os pellets caracterizados com e sem os micro-organismos. Os pellets mostraram melhor potencial quando contendo microalgas imobilizadas, em comparação com eles puros. No estudo dinâmico, 12 L de solução contendo uma concentração de La (III) de 150 mmol/L ascenderam pela coluna contendo Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. imobilizadas e pellets de alginato de cálcio puros durante 8 horas. No último minuto, os três biossorventes ainda apresentaram cerca de 80% de eficiência de remoção. Desta forma, o ponto de satuação não foi atingido. A rápida e alta capacidade de adsorção das microalgas revelou que sua aplicação em escala superior é possível em ambos os processos estudados, uma vez que a imobilização desses biomateriais não mudou a sua capacidade de sorção e nem o rápido contato entre o adsorvente e o soluto no processo de biossorção de lantânio

Hartle's model within the general theory of perturbatiye matchings: the change in mass

Hartle's model provides the most widely used analytic framework to describe isolated compact bodies rotating slowly in equilibrium up to second order in perturbations in the context of General Relativity. Apart from some explicit assumptions, there are some implicit, like the "continuity" of the functions in the perturbed metric across the surface of the body. In this work we sketch the basics for the analysis of the second order problem using the modern theory of perturbed matchings. In particular, the result we present is that when the energy density of the fluid in the static configuration does not vanish at the boundary, one of the functions of the second order perturbation in the setting of the original work by Hartle is not continuous. This discrepancy affects the calculation of the change in mass of the rotating star with respect to the static configuration needed to keep the central energy density unchanged.

Efeitos magnetocalórico e barocalórico em compostos com transição de fase de primeira ordem

Nesta tese discutimos sistematicamente os efeitos magnetocalórico e barocalórico em sistemas físicos com transição de fase magnética de primeira e de segunda ordem em sistemas físicos cujo magnetismo tem carater local. Para essa finalidade, utilizamos um modelo de momentos magnéticos locais interagentes, incluindo um termo de acoplamento magnetoelástico. Nossos cálculos mostram que a relação entre a interação de troca e o acoplamento magnetoelástico é responsável pela ordem da transição de fase e pelo aparecimento da histerese térmica e magnética. Os resultados mostram que as grandezas magnetocalóricas exibem grandes valores quando o sistema sofre uma transição de fase de primeira ordem. Além disso, quando existe uma histerese visível as grandezas magnetocalóricas dependem do processo de aquecimento e resfriamento do sistema. Ainda de acordo com nossos resultados, existe um efeito barocalórico normal (sistema aquece sob aumento de pressão) quando a pressão aplicada aumenta a temperatura de ordenamento magnético sem alterar a ordem da transição de fase magnética. O efeito barocalórico inverso (sistema resfria sob aumento de pressão) ocorre quando a pressão aplicada diminui a temperatura crítica sem mudar a ordem da transição de fase. Nossos cálculos mostram, ainda, que um efeito barocalórico anômalo (mudança de sinal nas grandezas barocalóricas) ocorre em casos especiais onde a pressão aplicada muda a natureza da transição de fase magnética do primeira para segunda ordem e vice-versa.

Formulação teórica dos fundamentos da otimização global topográfica com análise de desempenho e aplicações à estabilidade de fases de misturas termodinâmicas

Métodos de otimização que utilizam condições de otimalidade de primeira e/ou segunda ordem são conhecidos por serem eficientes. Comumente, esses métodos iterativos são desenvolvidos e analisados à luz da análise matemática do espaço euclidiano n-dimensional, cuja natureza é de caráter local. Consequentemente, esses métodos levam a algoritmos iterativos que executam apenas as buscas locais. Assim, a aplicação de tais algoritmos para o cálculo de minimizadores globais de uma função não linear,especialmente não-convexas e multimodais, depende fortemente da localização dos pontos de partida. O método de Otimização Global Topográfico é um algoritmo de agrupamento, que utiliza uma abordagem baseada em conceitos elementares da teoria dos grafos, a fim de gerar bons pontos de partida para os métodos de busca local, a partir de pontos distribuídos de modo uniforme no interior da região viável. Este trabalho tem dois objetivos. O primeiro é realizar uma nova abordagem sobre método de Otimização Global Topográfica, onde, pela primeira vez, seus fundamentos são formalmente descritos e suas propriedades básicas são matematicamente comprovadas. Neste contexto, propõe-se uma fórmula semi-empírica para calcular o parâmetro chave deste algoritmo de agrupamento, e, usando um método robusto e eficiente de direções viáveis por pontos-interiores, estendemos o uso do método de Otimização Global Topográfica a problemas com restrições de desigualdade. O segundo objetivo é a aplicação deste método para a análise de estabilidade de fase em misturas termodinâmicas,o qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. A solução deste problema de otimização global é necessária para o cálculo do equilíbrio de fases, que é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Além disso, afim de ter uma avaliação inicial do potencial dessa técnica, primeiro vamos resolver 70 problemas testes, e então comparar o desempenho do método proposto aqui com o solver MIDACO, um poderoso software recentemente introduzido no campo da otimização global.

Aplicação da equação de Poisson-Boltzmann modificada em sistemas biológicos: análise da partição iônica em um eritrócito

Neste trabalho, a partição iônica e o potencial de membrana em um eritrócito são analisados via equação de Poisson-Boltzmann modificada, considerando as interações não eletrostáticas presentes entre os íons e macromoléculas, assim como, o potencial β. Este potencial é atribuído à diferença de potencial químico de referência entre os meios intracelular e extracelular e ao transporte ativo de íons. O potencial de Gibbs-Donnan via equação de Poisson-Boltzmann na presença de carga fixa em um sistema contendo uma membrana semipermeável também é estudado. O método de aproximação paraboloide em elementos finitos em um sistema estacionário e unidimensionalé aplicado para resolver a equação de Poisson-Boltzmann em coordenadas cartesianas e esféricas. O parâmetro de dispersão relativo às interações não eletrostáticas écalculado via teoria de Lifshitz. Os resultados em relação ao potencial de Gibbs-Donnan mostram-se adequados, podendo ser calculado pela equação de Poisson-Boltzmann. No sistema contendo um eritrócito, quando o potencial β é considerado igual a zero, não se verifica a diferença iônica observada experimentalmente entre os meios intracelular e extracelular. Dessa forma, os potenciais não eletrostáticos calculados via teoria de Lifshitz têm apenas uma pequena influência no que se refere à alta concentração de íon K+ no meio intracelular em relação ao íon Na+

Interesse e virtude: a sociologia modernista dos anos 30

O objeto de estudo desta tese é a sociologia modernista brasileira da década de 1930. Em primeiro lugar, se adentra nas configurações gerais do termo sociologia modernista em relação à sua inserção na história e desenvolvimento das ciências sociais no Brasil. Em segundo lugar, se discute o suporte de escrita que este tipo de interpretação privilegiou, o ensaio. Em terceiro lugar, se relacionou os mundos da cultura e política no contexto da formação do modernismo brasileiro e sua imbricação direta com as florações da sociologia modernista. E por fim, se estabeleceu uma interpretação dos principais temas e dos argumentos expostos e debatidos pela sociologia modernista dos anos 1930. Nestes termos, este trabalho diz respeito: a constituição de uma tradição sociológica periférica em relação ao sistema-mundo; a proposição da constituição de uma história da sociologia brasileira, múltipla e dinâmica, que leva em conta as diferentes imersões propostas por cada estilo de pensamento; a constituição do ensaio como suporte de escrita e modo de apresentação das ideias conectados à posição e experiência intelectual latino-americana em geral e brasileira em particular; a uma ampliação do conceito de modernismo e sua relação com a teoria social periférica; ao processo de modernização brasileiro e suas íntimas relações com o modernismo; à construção de uma interpretação de segunda ordem, que possibilite interpretar a teoria social advinda da sociologia modernista a partir da dupla perspectiva do cronótopo constituído: o tempo e o espaço; a caracterização da sociologia modernista a partir da concepção de cartografia semântica e figuração, como permeáveis à análise dos textos abordados.

Otimização global topográfica aplicada a problemas de otimização com restrições de igualdade e desigualdade

Os métodos de otimização que adotam condições de otimalidade de primeira e/ou segunda ordem são eficientes e normalmente esses métodos iterativos são desenvolvidos e analisados através da análise matemática do espaço euclidiano n-dimensional, o qual tem caráter local. Esses métodos levam a algoritmos iterativos que são usados para o cálculo de minimizadores globais de uma função não linear, principalmente não-convexas e multimodais, dependendo da posição dos pontos de partida. Método de Otimização Global Topográfico é um algoritmo de agrupamento, o qual é fundamentado nos conceitos elementares da teoria dos grafos, com a finalidade de gerar bons pontos de partida para os métodos de busca local, com base nos pontos distribuídos de modo uniforme no interior da região viável. Este trabalho tem como objetivo a aplicação do método de Otimização Global Topográfica junto com um método robusto e eficaz de direções viáveis por pontos-interiores a problemas de otimização que tem restrições de igualdade e/ou desigualdade lineares e/ou não lineares, que constituem conjuntos viáveis com interiores não vazios. Para cada um destes problemas, é representado também um hiper-retângulo compreendendo cada conjunto viável, onde os pontos amostrais são gerados.

A comparison of methods for the coupled analysis of floating structures

The dynamic analysis of a deepwater floating platform and the associated mooring/riser system should ideally be fully coupled to ensure a reliable response prediction. It is generally held that a time domain analysis is the only means of capturing the various coupling and nonlinear effects accurately. However, in recent work it has been found that for an ultra-deepwater floating system (2000m water depth), the highly efficient frequency domain approach can provide highly accurate response predictions. One reason for this is the accuracy of the drag linearization procedure over both first and second order motions, another reason is the minimal geometric nonlinearity displayed by the mooring lines in deepwater. In this paper, the aim is to develop an efficient analysis method for intermediate water depths, where both mooring/vessel coupling and geometric nonlinearity are of importance. It is found that the standard frequency domain approach is not so accurate for this case and two alternative methods are investigated. In the first, an enhanced frequency domain approach is adopted, in which line nonlinearities are linearized in a systematic way. In the second, a hybrid approach is adopted in which the low frequency motion is solved in the time domain while the high frequency motion is solved in the frequency domain; the two analyses are coupled by the fact that (i) the low frequency motion affects the mooring line geometry for the high frequency motion, and (ii) the high frequency motion affects the drag forces which damp the low frequency motion. The accuracy and efficiency of each of the methods are systematically compared. Copyright © 2007 by ASME.

Metal Retention Experiments for the Design of Soil-Mix Technology Permeable Reactive Barriers

Soil-mix technology is effective for the construction of permeable reactive barriers (PRBs) for in situ groundwater treatment. The objective of this study was to perform initial experiments for the design of soil-mix technology PRBs according to (i) sorption isotherm, (ii) reaction kinetics and (iii) mass balance of the contaminants. The four tested reactive systems were: (i) a granular zeolite (clinoptilolite-GZ), (ii) a granular organoclay (GO), (iii) a 1:1-mixture GZ and model sandy clayey soil and (iv) a 1:1:1-mixture of GZ, GO and model soil. The laboratory experiments consisted of batch tests (volume 900mL and sorbent mass 18g) with a multimetal solution of Pb, Cu, Zn, Cd and Ni. For the adsorption experiment, the initial concentrations ranged from 0.01 to 0.5mM (2.5 to 30mg/L). The maximum metal retention was measured in a batch test (300mg/L for each metal, volume 900mL, sorbent mass 90-4.5g). The reactive material efficiency order was found to be GZ>GZ-soil mix>GZ-soil-GO mix>GO. Langmuir isotherms modelled the adsorption, even in presence of a mixed cations solution. Adsorption was energetically favourable and spontaneous in all cases. Metals were removed according to the second order reaction kinetics; GZ and the 1:1-mix were very similar. The maximum retention capacity was 0.1-0.2mmol/g for Pb in the presence of clinoptilolite; for Cu, Zn, Cd and Ni, it was below 0.05mmol/g for the four reactive systems. Mixing granular zeolite, organoclay and model soil increased the chemisorption. Providing that GZ is reactive enough for the specific conditions, GZ can be mixed to obtain the required sorption. Granular clinoptilolite addition to soil is recommended for PRBs for metal contaminated groundwater. The laboratory experiments consisted of batch tests with a multimetal solution of Pb, Cu, Zn, Cd and Ni. The four reactive materials chosen were granular zeolite, clinoptilolite and model sandy clayey soil, granular organoclay and a mix of clinoptilolite, model soil and organoclay. The reactive material efficiency order was found to be granular clinoptilolite>clinoptilolite-soil mix>clinoptilolite-soil-organoclay mix>granular organoclay. © 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Measurement-Integrated simulations and Kalman filter applied to a co-flowing jet

This paper deals with the experimental evaluation of a flow analysis system based on the integration between an under-resolved Navier-Stokes simulation and experimental measurements with the mechanism of feedback (referred to as Measurement-Integrated simulation), applied to the case of a planar turbulent co-flowing jet. The experiments are performed with inner-to-outer-jet velocity ratio around 2 and the Reynolds number based on the inner-jet heights about 10000. The measurement system is a high-speed PIV, which provides time-resolved data of the flow-field, on a field of view which extends to 20 jet heights downstream the jet outlet. The experimental data can thus be used both for providing the feedback data for the simulations and for validation of the MI-simulations over a wide region. The effect of reduced data-rate and spatial extent of the feedback (i.e. measurements are not available at each simulation time-step or discretization point) was investigated. At first simulations were run with full information in order to obtain an upper limit of the MI-simulations performance. The results show the potential of this methodology of reproducing first and second order statistics of the turbulent flow with good accuracy. Then, to deal with the reduced data different feedback strategies were tested. It was found that for small data-rate reduction the results are basically equivalent to the case of full-information feedback but as the feedback data-rate is reduced further the error increases and tend to be localized in regions of high turbulent activity. Moreover, it is found that the spatial distribution of the error looks qualitatively different for different feedback strategies. Feedback gain distributions calculated by optimal control theory are presented and proposed as a mean to make it possible to perform MI-simulations based on localized measurements only. So far, we have not been able to low error between measurements and simulations by using these gain distributions.

On the use of combined compact scheme for numerical solution of the two-layer oceanic shallow water equations

Many types of oceanic physical phenomena have a wide range in both space and time. In general, simplified models, such as shallow water model, are used to describe these oceanic motions. The shallow water equations are widely applied in various oceanic and atmospheric extents. By using the two-layer shallow water equations, the stratification effects can be considered too. In this research, the sixth-order combined compact method is investigated and numerically implemented as a high-order method to solve the two-layer shallow water equations. The second-order centered, fourth-order compact and sixth-order super compact finite difference methods are also used to spatial differencing of the equations. The first part of the present work is devoted to accuracy assessment of the sixth-order super compact finite difference method (SCFDM) and the sixth-order combined compact finite difference method (CCFDM) for spatial differencing of the linearized two-layer shallow water equations on the Arakawa's A-E and Randall's Z numerical grids. Two general discrete dispersion relations on different numerical grids, for inertia-gravity and Rossby waves, are derived. These general relations can be used for evaluation of the performance of any desired numerical scheme. For both inertia-gravity and Rossby waves, minimum error generally occurs on Z grid using either the sixth-order SCFDM or CCFDM methods. For the Randall's Z grid, the sixth-order CCFDM exhibits a substantial improvement , for the frequency of the barotropic and baroclinic modes of the linear inertia-gravity waves of the two layer shallow water model, over the sixth-order SCFDM. For the Rossby waves, the sixth-order SCFDM shows improvement, for the barotropic and baroclinic modes, over the sixth-order CCFDM method except on Arakawa's C grid. In the second part of the present work, the sixth-order CCFDM method is used to solve the one-layer and two-layer shallow water equations in their nonlinear form. In one-layer model with periodic boundaries, the performance of the methods for mass conservation is compared. The results show high accuracy of the sixth-order CCFDM method to simulate a complex flow field. Furthermore, to evaluate the performance of the method in a non-periodic domain the sixth-order CCFDM is applied to spatial differencing of vorticity-divergence-mass representation of one-layer shallow water equations to solve a wind-driven current problem with no-slip boundary conditions. The results show good agreement with published works. Finally, the performance of different schemes for spatial differencing of two-layer shallow water equations on Z grid with periodic boundaries is investigated. Results illustrate the high accuracy of combined compact method.

A study of capacitance-voltage characteristics of lead zirconate titanate ferroelectric thin films and their usage to investigate polarization and coercive field.

Capacitance-voltage (C-V) characteristics of lead zirconate titanate (PZT) thin films with a thickness of 130 nm were measured between 300 and 533 K. The transition between ferroelectric and paraelectric phases was revealed to be of second order in our case, with a Curie temperature at around 450 K. A linear relationship was found between the measured capacitance and the inverse square root of the applied voltage. It was shown that such a relationship could be fitted well by a universal expression of C/A = k(V+V(0))(-1/2) and that this expression could be derived by expanding the Landau-Devonshire free energy at an effective equilibrium position of the Ti/Zr ion in a PZT unit cell. By using the derived equations in this work, the free energy parameters for an individual material can be obtained solely from the corresponding C-V data, and the temperature dependences of both remnant polarization and coercive voltage are shown to be in quantitative agreement with the experimental data.

Psychometric evaluation and experimental validation of the statistics anxiety rating scale.

The Statistics Anxiety Rating Scale (STARS) was adapted into German to examine its psychometric properties (n = 400). Two validation studies (n = 66, n = 96) were conducted to examine its criterion-related validity. The psychometric properties of the questionnaire were very similar to those previously reported for the original English version in various countries and other language versions. Confirmatory factor analysis indicated 2 second-order factors: One was more closely related to anxiety and the other was more closely related to negative attitudes toward statistics. Predictive validity of the STARS was shown both in an experimental exam-like situation in the laboratory and during a real examination situation. Taken together, the findings indicate that statistics anxiety as assessed by the STARS is a useful construct that is more than just an expression of a more general disposition to anxiety.