Thermodynamic efficiency and entropy production in the climate system

We present an outlook on the climate system thermodynamics. First, we construct an equivalent Carnot engine with efficiency and frame the Lorenz energy cycle in a macroscale thermodynamic context. Then, by exploiting the second law, we prove that the lower bound to the entropy production is times the integrated absolute value of the internal entropy fluctuations. An exergetic interpretation is also proposed. Finally, the controversial maximum entropy production principle is reinterpreted as requiring the joint optimization of heat transport and mechanical work production. These results provide tools for climate change analysis and for climate models’ validation.

Segunda lei da termodinâmica

Apresenta os dois enunciados mais importantes da segunda lei da termodinâmica. Apresenta as máquinas térmicas, dispositivos que produzem trabalho a partir de calor em processo cíclico, citando exemplo. Apresenta refrigeradores térmicos simples, que funcionam como aquecedores quando invertidos. Apresenta o ciclo de Carnot, definindo e equacionando as quatro etapas e ilustrando em um diagrama.

Entropia e a segunda lei da termodinâmica

Apresenta entropia por meio da desigualdade de Clausius, demonstrando essa desigualdade para máquinas térmicas e ciclos de refrigeração, concluindo que a igualdade se aplica a ciclos reversíveis e a desigualdade a ciclos irreversíveis. Define entropia como uma propriedade termodinâmica extensiva, e apresenta as equações para calcular a entropia. Apresenta o diagrama TS, faz a representação de um ciclo termodinâmico e do ciclo de Carnot nesse diagrama. Apresenta equações para cálculo de eficiência máquinas térmicas e rendimento de refrigeradores. Apresenta considerações de entropia para gases ideais.

Ciclos termodinâmicos

Apresenta duas grandes áreas de aplicação da termodinâmica: refrigeração e geração de potência. Cita como funcionam máquinas térmicas de combustão externa e interna. Relembra o ciclo de Carnot, eficiente para transformar calor em trabalho e apresenta o ciclo de Rankine, que se aproxima do ciclo de Carnot, porém suas turbinas são projetadas com a umidade formada na expansão do vapor saturado sendo removida no processo, evitando erosões. Apresenta o ciclo de Rankine com aquecimento, que se aproxima mais ao ciclo de Carnot. Apresenta o ciclo de refrigeração de Rankine, com a expressão de cálculo de coeficiente de desempenho. Apresenta dispositivos a gás de um único passe, como motor de gasolina ideal, funcionando como o ciclo Otto. Apresenta o ciclo Diesel, de motor diesel ideal, comparando com o ciclo Otto. Apresenta a turbina a gás, ciclo de Brayton ou Joule.

Segunda lei da termodinâmica e a entropia

Apresenta algumas observações experimentais que fornecem embasamento para a segunda lei da termodinâmica, os enunciados de Clausius e Kelvin-Planck. Demonstra através de esquemas o princípio de funcionamento das máquinas térmicas e dos refrigeradores, das máquinas ideais (descrição do ciclo de Carnot) e a representação dos ciclos de potência e de refrigeração num diagrama p-v. Avalia o rendimento de máquinas térmicas ideais. Posteriormente, define o conceito de entropia e suas aplicações, como calcular variações desta propriedade termodinâmica em diferentes processos, em líquidos, sólidos e gases ideais.

A techno-economic analysis for MCFC cogeneration system

In this paper, a methodology for the study of a fuel cell cogeneration system and applied to a university campus is developed. The cogeneration system consists of a molten carbonate fuel cell associated to an absorption refrigeration system. The electrical and cold-water demands of the campus are about 1,000 kW and 1,840 kW (at 7°C), respectively. The energy, exergy and economic analyses are presented. This system uses natural gas as the fuel and operates on electric parity. In conclusion, the fuel cell cogeneration system may have an excellent opportunity to strengthen the decentralized energy production in the Brazilian tertiary sector.

Estudo e análise de sistemas de refrigeração industrial integrados a plantas de processo químico

This work approaches the analysis of industrial refrigeration systems applied to a chemical processing industry that, in this case, consists of refrigeration machines, cooling tower system, cold water system and brine system. In this study it is highlighted the function and characteristics of different systems, including the main components, the most important features, their functionality and best practices. The motivation for this work is the fact that refrigeration systems are essential in many industrial processes, presenting a high energy consumption that is related to a significant parcel of production costs. It has aimed to understand the case studied in order to evaluate the energy efficiency of systems and to compare with Carnot efficiency and best available technologies. The assessment aims to identify irregularities, find opportunities and propose solutions that increases the performance of equipment and the overall system efficiency. Therefore, the studies intend to reduce the operation costs and generate gains for the company

Estudo e análise de sistemas de refrigeração industrial integrados a plantas de processo químico

This work approaches the analysis of industrial refrigeration systems applied to a chemical processing industry that, in this case, consists of refrigeration machines, cooling tower system, cold water system and brine system. In this study it is highlighted the function and characteristics of different systems, including the main components, the most important features, their functionality and best practices. The motivation for this work is the fact that refrigeration systems are essential in many industrial processes, presenting a high energy consumption that is related to a significant parcel of production costs. It has aimed to understand the case studied in order to evaluate the energy efficiency of systems and to compare with Carnot efficiency and best available technologies. The assessment aims to identify irregularities, find opportunities and propose solutions that increases the performance of equipment and the overall system efficiency. Therefore, the studies intend to reduce the operation costs and generate gains for the company

Considerações sobre concepções de calor e sistema termodinâmico para o ensino médio.

Este trabalho parte da ideia de que para ocorrer significativo avanço na compreensão das leis da termodinâmica pelos estudantes é necessário promover, inicialmente, discussões sobre diversas concepções de calor e de sistemas. É nessa direção que este trabalho aponta, ao procurar responder à questão: Como possibilitar, no ensino médio, a compreensão de diferentes concepções de calor antes da apresentação das leis da termodinâmica? Para isso apresenta subsídios que poderão ser utilizados na elaboração de estratégias, mostrando a atitude dos cientistas frente a situações nas quais concepções aceitas sobre calor revelaram-se inadequadas; destaca-se aqui a importância que teve a introdução do conceito de sistema na elaboração das teorias da termodinâmica. Para isso selecionou-se de uma pesquisa anterior, algumas ideias comuns e persistentes entre estudantes do ensino médio e do nível superior que já passaram pelo ensino formal da termodinâmica como as de Calor como “quente” e “frio”. Consideraram-se também fragmentos de trabalhos originais de Carnot e de Clausius que tocam nesses conteúdos. Com isso pretende-se despertar, nos estudantes, a percepção de que suas concepções baseadas em sensações bem como ideias “substancialistas” precisam ser redimensionadas, juntamente com adoção de elementos teóricos adotados pela termodinâmica. Espera-se dos professores o planejamento de atividades que propiciem o encontro dessas ideias.

Maximum principle, mean value operators and quasi boundedness in non-euclidean settings

This work deals with some classes of linear second order partial differential operators with non-negative characteristic form and underlying non- Euclidean structures. These structures are determined by families of locally Lipschitz-continuous vector fields in RN, generating metric spaces of Carnot- Carath´eodory type. The Carnot-Carath´eodory metric related to a family {Xj}j=1,...,m is the control distance obtained by minimizing the time needed to go from two points along piecewise trajectories of vector fields. We are mainly interested in the causes in which a Sobolev-type inequality holds with respect to the X-gradient, and/or the X-control distance is Doubling with respect to the Lebesgue measure in RN. This study is divided into three parts (each corresponding to a chapter), and the subject of each one is a class of operators that includes the class of the subsequent one. In the first chapter, after recalling “X-ellipticity” and related concepts introduced by Kogoj and Lanconelli in [KL00], we show a Maximum Principle for linear second order differential operators for which we only assume a Sobolev-type inequality together with a lower terms summability. Adding some crucial hypotheses on measure and on vector fields (Doubling property and Poincar´e inequality), we will be able to obtain some Liouville-type results. This chapter is based on the paper [GL03] by Guti´errez and Lanconelli. In the second chapter we treat some ultraparabolic equations on Lie groups. In this case RN is the support of a Lie group, and moreover we require that vector fields satisfy left invariance. After recalling some results of Cinti [Cin07] about this class of operators and associated potential theory, we prove a scalar convexity for mean-value operators of L-subharmonic functions, where L is our differential operator. In the third chapter we prove a necessary and sufficient condition of regularity, for boundary points, for Dirichlet problem on an open subset of RN related to sub-Laplacian. On a Carnot group we give the essential background for this type of operator, and introduce the notion of “quasi-boundedness”. Then we show the strict relationship between this notion, the fundamental solution of the given operator, and the regularity of the boundary points.

Famiglie Normali per Operatori Sub-ellittici e i Teoremi di Montel e Koebe

Scopo della tesi è di estendere un celebre teorema di Montel, sulle famiglie normali di funzioni olomorfe, all'ambiente sub-ellittico delle famiglie di soluzioni u dell'equazione Lu=0, dove L appartiene ad un'ampia classe di operatori differenziali alle derivate parziali reali del secondo ordine in forma di divergenza, comprendente i sub-Laplaciani sui gruppi di Carnot, i Laplaciani sub-ellittici su arbitrari gruppi di Lie, oltre all'operatore di Laplace-Beltrami su varietà di Riemann. A questo scopo, forniremo una versione sub-ellittica di un altro notevole risultato, dovuto a Koebe, che caratterizza le funzioni armoniche come punti fissi di opportuni operatori integrali di media con nuclei non banali. Sarà fornito anche un adeguato sostituto della formula integrale di Cauchy.

Harnack inequalities in sub-Riemannian settings

In the present thesis, we discuss the main notions of an axiomatic approach for an invariant Harnack inequality. This procedure, originated from techniques for fully nonlinear elliptic operators, has been developed by Di Fazio, Gutiérrez, and Lanconelli in the general settings of doubling Hölder quasi-metric spaces. The main tools of the approach are the so-called double ball property and critical density property: the validity of these properties implies an invariant Harnack inequality. We are mainly interested in the horizontally elliptic operators, i.e. some second order linear degenerate-elliptic operators which are elliptic with respect to the horizontal directions of a Carnot group. An invariant Harnack inequality of Krylov-Safonov type is still an open problem in this context. In the thesis we show how the double ball property is related to the solvability of a kind of exterior Dirichlet problem for these operators. More precisely, it is a consequence of the existence of some suitable interior barrier functions of Bouligand-type. By following these ideas, we prove the double ball property for a generic step two Carnot group. Regarding the critical density, we generalize to the setting of H-type groups some arguments by Gutiérrez and Tournier for the Heisenberg group. We recognize that the critical density holds true in these peculiar contexts by assuming a Cordes-Landis type condition for the coefficient matrix of the operator. By the axiomatic approach, we thus prove an invariant Harnack inequality in H-type groups which is uniform in the class of the coefficient matrices with prescribed bounds for the eigenvalues and satisfying such a Cordes-Landis condition.

Trigonometria: storia e applicazioni

Nella presente tesi si cerca di tratteggiare lo sviluppo storico della disciplina trigonometrica: da fedele alleata di astronomia e geodesia, appendice naturale di effemeridi e manuali topografici, fino all’emancipazione a scienza autonoma, branca indipendente della matematica pura. Un cammino lungo ed affascinante che attraversa i millenni: dalle prime tracce individuabili nella civiltà egizia ed in quella mesopotamica fino alla definitiva fioritura e successiva sistemazione logica della trigonometria degli archi e delle corde, avvenuta nel mondo greco ed alessandrino. Poi il rinascimento culturale europeo, passando attraverso la tradizione indiana e la mediazione arabo-islamica. Quindi il preludio alla trigonometria moderna grazie al contributo di matematici del calibro di Viète e Napier, sino alla scoperta delle sue innumerevoli applicazioni alla fisica durante la gloriosa Rivoluzione Scientifica. Infine la nascita e lo studio sistematico delle funzioni circolari, colonne portanti dell’analisi, ad opera di Eulero ed ancora la Rivoluzione Francese con Carnot e Fourier. Ampio spazio, inoltre, è dedicato a problemi ed applicazioni pratiche tratte da manuali per la scuola secondaria largamente diffusi intorno alla metà del secolo scorso.

Diccionario biográfico de matemáticos

Este Diccionario Biográfico de Matemáticos incluye más de 2040 reseñas de matemáticos, entre las que hay unas 280 de españoles y 36 de mujeres (Agnesi, Blum, Byron, Friedman, Hipatia, Robinson, Scott, etc.), de las que 11 son españolas (Casamayor, Sánchez Naranjo, Sanz-Solé, etc.). Se ha obtenido la mayor parte de las informaciones por medio de los libros recogidos en el apéndice “Bibliografía consultada”; otra parte, de determinadas obras matemáticas de los autores reseñados (estas obras no están incluidas en el citado apéndice, lo están en las correspondientes reseñas de sus autores). Las obras más consultadas han sido las de Boyer, Cajori, Kline, Martinón, Peralta, Rey Pastor y Babini, Wieleitner, las Enciclopedias Espasa, Británica, Larousse, Universalis y Wikipedia. Entre las reseñas incluidas, destacan las siguientes, en orden alfabético: Al-Khuwairizmi, Apolonio, Arquímedes, Jacob y Johann Bernoulli, Brouwer, Cantor, Cauchy, Cayley, Descartes, Diofanto, Euclides, Euler, Fermat, Fourier, Galileo, Gauss, Hilbert, Lagrange, Laplace, Leibniz, Monge, Newton, Pappus, Pascal, Pitágoras, Poincaré, Ptolomeo, Riemann, Weierstrass, etc. Entre los matemáticos españoles destacan las de Echegaray, Etayo, Puig Adam, Rey Pastor, Reyes Prósper, Terradas (de quien Einstein dijo: “Es uno de los seis primeros cerebros mundiales de su tiempo y uno de los pocos que pueden comprender hoy en día la teoría de la relatividad”), Torre Argaiz, Torres Quevedo, los Torroja, Tosca, etc. Se han incluido varias referencias de matemáticos nacidos en la segunda mitad del siglo XX. Entre ellos descuellan nombres como Perelmán o Wiles. Pero para la mayor parte de ellos sería conveniente un mayor distanciamiento en el tiempo para poder dar una opinión más objetiva sobre su obra. Las reseñas no son exhaustivas. Si a algún lector le interesa profundizar en la obra de un determinado matemático, puede utilizar con provecho la bibliografía incluida, o también las obras recogidas en su reseña. En cada reseña se ha seguido la secuencia: nombre, fechas de nacimiento y muerte, profesión, nacionalidad, breve bosquejo de su vida y exposición de su obra. En algunos casos, pocos, no se ha podido encontrar el nombre completo. Cuando sólo existe el año de nacimiento, se indica con la abreviatura “n.”, y si sólo se conoce el año de la muerte, con la abreviatura “m.”. Si las fechas de nacimiento y muerte son sólo aproximadas, se utiliza la abreviatura “h.” –hacia–, abreviatura que también se utiliza cuando sólo se conoce que vivió en una determinada época. Esta utilización es, entonces, similar a la abreviatura clásica “fl.” –floreció–. En algunos casos no se ha podido incluir el lugar de nacimiento del personaje o su nacionalidad. No todos los personajes son matemáticos en sentido estricto, aunque todos ellos han realizado importantes trabajos de índole matemática. Los hay astrónomos como, por ejemplo, Brahe, Copérnico, Laplace; físicos como Dirac, Einstein, Palacios; ingenieros como La Cierva, Shannon, Stoker, Torres Quevedo (muchos matemáticos, considerados primordialmente como tales, se formaron como ingenieros, como Abel Transon, Bombelli, Cauchy, Poincaré); geólogos, cristalógrafos y mineralogistas como Barlow, Buerger, Fedorov; médicos y fisiólogos como Budan, Cardano, Helmholtz, Recorde; naturalistas y biólogos como Bertalanfly, Buffon, Candolle; anatomistas y biomecánicos como Dempster, Seluyanov; economistas como Black, Scholes; estadísticos como Akaike, Fisher; meteorólogos y climatólogos como Budyko, Richardson; filósofos como Platón, Aristóteles, Kant; religiosos y teólogos como Berkeley, Santo Tomás; historiadores como Cajori, Eneström; lingüistas como Chomsky, Grassmann; psicólogos y pedagogos como Brousseau, Fishbeim, Piaget; lógicos como Boole, Robinson; abogados y juristas como Averroes, Fantet, Schweikart; escritores como Aristófanes, Torres de Villarroel, Voltaire; arquitectos como Le Corbusier, Moneo, Utzon; pintores como Durero, Escher, Leonardo da Vinci (pintor, arquitecto, científico, ingeniero, escritor, lingüista, botánico, zoólogo, anatomista, geólogo, músico, escultor, inventor, ¿qué es lo que 6 no fue?); compositores y musicólogos como Gugler, Rameau; políticos como Alfonso X, los Banu Musa, los Médicis; militares y marinos como Alcalá Galiano, Carnot, Ibáñez, Jonquières, Poncelet, Ulloa; autodidactos como Fermat, Simpson; con oficios diversos como Alcega (sastre), Argand (contable), Bosse (grabador), Bürgi (relojero), Dase (calculista), Jamnitzer (orfebre), Richter (instrumentista), etc. También hay personajes de ficción como Sancho Panza (siendo gobernador de la ínsula Barataria, se le planteó a Sancho una paradoja que podría haber sido formulada por Lewis Carroll; para resolverla, Sancho aplicó su sentido de la bondad) y Timeo (Timeo de Locri, interlocutor principal de Platón en el diálogo Timeo). Se ha incluido en un apéndice una extensa “Tabla Cronológica”, donde en columnas contiguas están todos los matemáticos del Diccionario, las principales obras matemáticas (lo que puede representar un esbozo de la historia de la evolución da las matemáticas) y los principales acontecimientos históricos que sirven para situar la época en que aquéllos vivieron y éstas se publicaron. Cada matemático se sitúa en el año de su nacimiento, exacto o aproximado; si no se dispone de este dato, en el año de su muerte, exacto o aproximado; si no se dispone de ninguna de estas fechas, en el año aproximado de su florecimiento. Si sólo se dispone de un periodo de tiempo más o menos concreto, el personaje se clasifica en el año más representativo de dicho periodo: por ejemplo, en el año 250 si se sabe que vivió en el siglo III, o en el año -300 si se sabe que vivió hacia los siglos III y IV a.C. En el apéndice “Algunos de los problemas y conjeturas expuestos en el cuerpo del Diccionario”, se ha resumido la situación actual de algunos de dichos problemas y conjeturas. También se han incluido los problemas que Hilbert planteó en 1900, los expuestos por Smale en 1997, y los llamados “problemas del milenio” (2000). No se estudian con detalle, sólo se indica someramente de qué tratan. Esta segunda edición del Diccionario Biográfico de Matemáticos tiene por objeto su puesta a disposición de la Escuela de Ingenieros de Minas de la Universidad Politécnica de Madrid.