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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.43.2012.tde-14032013-153056
Document
Author
Full name
Alexandre Barros de Almeida
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2012
Supervisor
Committee
Alencar, Adriano Mesquita (President)
Andrade, Roberto Fernandes Silva
Coutinho, Kaline Rabelo
Title in Portuguese
Análise e modelagem termodinâmica de um modelo de gás de rede para pontes líquidas
Keywords in Portuguese
dinâmica de Kawasaki
gás de rede
Monte Carlo
ponte líquida
ruído de crepitação
Abstract in Portuguese
Nesta dissertação, estudou-se um modelo tipo gás de rede em três dimensões para simular sistemas líquidos macroscópicos. Aplicou-se o modelo para o estudo das energias e forças envolvidas durante o processo de formação e ruptura de pontes líquidas entre duas placas planas. Esse estudo foi motivado por processos fisiológicos que acontecem no interior dos pulmões dos mamíferos. Além disso, foi feito um estudo das propriedades termodinâmicas do modelo. Com relação a aplicação fisiológica, observou-se que, no processo da formação da ponte líquida, a energia livre da ponte líquida é menor que a energia livre da gota, para diferentes sistemas líquidos. Com este resultado, fez a hipótese de que parte dessa energia é dissipada na forma de energia acústica. A emissão do som também deve ocorrer na ruptura da ponte líquida. Comparando a energia livre no processo de formação e ruptura da ponte líquida observou-se uma curva de histerese. Também foi verificado que para sistemas pequenos, a ponte líquida no modelo computacional se forma antes da previsão analítica. Para a análise termodinâmica, o modelo foi simplificado removendo as placas planas. Foi estudado o caso mais simples desse modelo que continha apenas duas partículas de líquido. Neste caso, calculou-se o calor específico e a energia interna numericamente, e esses resultados foram comparados com cálculos analíticos, validando o modelo numérico. Posteriormente, realizou-se um estudo da transição de fase desse sistema. Em seguida, a energia livre e a força da ponte líquida sobre as placas foram estudadas para diferentes temperaturas utilizando duas metodologias. Na primeira metodologia a entropia foi desprezada, na segunda metodologia, foi utilizando o método ``Overlapping Distribution'' que considera a entropia do sistema. Foi concluído que a entropia tem um efeito muito pequeno nas condições estudadas. O modelo é viável para a modelagem de fluidos a nível macroscópico e que portanto pode ser utilizado para quantificar não só as forças internas de estruturas pulmonares como também avaliar as energias liberadas após o processo de ruptura ou formação dessas pontes.
Title in English
Analysis and thermodynamic modeling of a lattice gas model applied to liquid bridges.
Keywords in English
crackling noise
Kawasaki dynamics
lattice gas
liquid bridge
Monte Carlo
Abstract in English
This work studied a three dimension lattice gas model to simulate macroscopic liquid systems. We used the model to study the energy and the forces involved during the process of liquid bridge formation and rupture between two parallel planes. The motivarion of this study was a physiological processes which occur inside the mammals lungs. Furthermore, a study was made to elucidate thermodynamic properties of the model. Concerning to physiological application, it was observed that the free energy of liquid bridge is smaller than the free energy of the droplet, for different liquid systems. With this observation, was proposed that this energy is dissipated as an acoustic energy. This sound should also exist in the rupture of liquid bridge. Comparing the free energy of liquid bridge in the formation and rupture process was observed a hysteresis curve. It was also found an effect of finite size in the formation of small size of the liquid bridge. In the numerical model, the liquid bridge is always formed earlier than expected from the analytical model. In the thermodynamic study, the model was simplified removing both parallel planes. First, the simplest case of this model was studied, only two liquid particles in a large gas lattice. In this case, the specific heat and internal energy was numerically studied and the results was compared with analytical calculation. Subsequently, we carried out a study of the phase transition of this system. Then, the free energy and the force generated between two parallel planes due the presence of the liquid bridge. This studied was performed using two different temperatures and two distinct methods. In the first method the entropy was neglected, and in the second method not. The second method was the ``Overlapping Distribution''. It was concluded that the entropy has a very small effect in the studied conditions. The model is viable for modeling fluids at macroscopic level and therefore can be used to quantify not only the internal forces of the lung structures, but evaluate the energies released after the rupture process of the formation of these bridges.
 
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AlmeidaAB.pdf (8.88 Mbytes)
Publishing Date
2013-05-29
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • ALMEIDA, A. B., BULDYREV, S. V., and Alencar, A. M. Crackling Sound Generation During the Formation of Liquid Bridges: A Lattice Gas Model [doi:10.1016/j.physa.2013.03.038]. Physica. A [online], 2013, vol. 392, p. 3409-3416.
  • ALMEIDA, A. B., and ALENCAR, A. M. Thermodynamic Modeling of a Liquid-Air System: Application in Lung Fluids. In Encontro de Física da Matéria Condensada, Foz do Iguaçu, 2011. Anais do Encontro de Física da Matéria Condensada., 2011. Abstract.
  • ALMEIDA, A. B., e Alencar, A. M. Study of surface free energy on a lattice-gas model applied to Liquid bridge. In Encontro Nacional de Fisica da Materia Condensada, Aguas de Lindoia/SP, 2013. Anais do ENFMC., 2013. Resumo. Dispon?vel em: http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/enfmc/xxxvi/sys/resumos/R0423-1.pdf.
  • ALMEIDA, A. B., e ALENCAR, A. M. Thermodynamic analysis of a lattice-gas model applied to liquid bridge rupture and formation. In Perspectives and Challenges in Statistical Physics and Complex Systems for the Next Decade: A Conference in Honor of Eugene Stanley and Liacir Lucena, Natal, RN, 2011. Proccedings of Perspectives and Challenges in Statistical Physics and Complex Systems for the Next Decade., 2011. Resumo. Dispon?vel em: http://fisica.ufpr.br/gene-liacir-conference/.
  • LLOVERA-GONZÁ, et al. Speckle patterns during the spreading of lung surfactant [doi:10.1117/12.2026326]. In VIII Iberoamerican Conference on Optics (RIAO/OPTILAS 2013), Porto, Portugal, 2013. RIAO Proceedings., 2013.
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