Belousov-Zhabotinsky: mudanças entre as edições

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De modo a resolver numericamente as equações descritas acima, serão utilizado o método FTCS (Forward Time Centered Space), que consiste em um método para resolver equações parciais através da derivada parcial de primeira ordem no tempo por uma diferença finita e progressiva e a derivada parcial de segunda ordem no espaço por uma diferença centrada, como vemos logo abaixo:
De modo a resolver numericamente as equações descritas acima, serão utilizado o método FTCS (Forward Time Centered Space), que consiste em um método para resolver equações parciais através da derivada parcial de primeira ordem no tempo por uma diferença finita e progressiva e a derivada parcial de segunda ordem no espaço por uma diferença centrada, como vemos logo abaixo:


: <math> \frac{\partial f}{\partial t} \approx \frac{f(x,t+dt) - f(x,dt)}{\Delta t} = \frac{f_{i}^{n+1} - f_{i}^{n}}{\Delta t}</math>
: <math> \frac{\partial f}{\partial t} \approx \frac{f(h,t+dt) - f(h,dt)}{\Delta t} = \frac{f_{i}^{n+1} - f_{i}^{n}}{\Delta t}</math>
: <math>\frac{\partial^{2}f}{\partial x^{2}} \approx  \frac{f(x, t-dt) - 2f(x, t) + f(x, t+1)}{\Delta x^{2}} = \frac{f_{i}^{n-1} - 2f_{i}^{n} + f_{i}^{n+1}}{\Delta x^{2}}</math>  
: <math>\frac{\partial^{2}f}{\partial h^{2}} \approx  \frac{f(h, t-dt) - 2f(h, t) + f(h, t+1)}{\Delta h^{2}} = \frac{f_{i}^{n-1} - 2f_{i}^{n} + f_{i}^{n+1}}{\Delta h^{2}}</math>  




=== Laplaciano ===  
=== Laplaciano ===  
...para a aplicação em vetores de duas dimensões, o laplaciano será aplicado desta forma:
...para a aplicação em vetores de duas dimensões, o laplaciano será aplicado desta forma:
:<math>\nabla^{2}f(r,t) = \frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2}f}{\partial y^{2}}</math>
:<math>\nabla^{2}f(h,t) = \frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2}f}{\partial y^{2}}</math>
:<math>\nabla^{2}f(r,t) = \frac{f(x+dh,y,t)+f(x-dh,y,t)+f(x,y+dh,t)+f(x,y-dh,t)-4f(x,y,t)}{dh^{2}} </math>
:<math>\nabla^{2}f(h,t) = \frac{f(x+dh,y,t)+f(x-dh,y,t)+f(x,y+dh,t)+f(x,y-dh,t)-4f(x,y,t)}{dh^{2}} </math>
De modo a simplificar a expressão para analises posteriores, reescreveremos desta forma, considerando uma analise 2D:
De modo a simplificar a expressão para analises posteriores, reescreveremos desta forma, considerando uma analise 2D:
:<math>\nabla^{2}f(r,t) = \frac{f_{R}+f_{L}+f_{U}+f_{D}-4f_{C}}{dh^{2}} </math>
:<math>\nabla^{2}f(h,t) = \frac{f_{R}+f_{L}+f_{U}+f_{D}-4f_{C}}{dh^{2}} </math>





Edição das 12h24min de 30 de março de 2021

Belousov-Zhabotinsky Reaction

A reação de Belousov-Zhabotinsky (BZ) consiste em uma família de reações químicas oscilatórias descobertas inicialmente por Belousov, e posteriormente analisadas por Zhabotinsky. A reação consiste em 3BrO3 + 5CH2(CO2H)2 + 3H+ → 3BrCH(CO2H)2 + 4CO2 + 5H2O + 2CH2O2, e demonstra um comportamento oscilatório não linear até atingir o equilíbrio químico (adicionar imagem da reação). A interação entre a reação e a difusão dos produtos químicos no espaço resultará na auto-organização de ondas viajantes dinâmicas. Seu mecanismo original, foi descrito através de 27 espécies químicas e um total de 80 reações.

Oregonator

Oregonator é um modelo matemático utilizado para descrever de forma mais simples a dinâmica da reação BZ, desenvolvido por Field e Noyes (1974). Foi um modelo não espacial originalmente composto por três variáveis de estado, onde posteriormente, vemos que tornam-se apenas duas. O mecanismo é, inicialmente composto por cinco etapas irreversíveis, onde, A = 3BrO3 -, B = 5CH2(COOH)2; 2HCOOH, 3BrCH(COOH)2 (no geral, estas e demais espécies orgânicas); P = HOBr; X = HBrO2; Y = Br-; Z = forma oxidada do catalisador e f = Coeficiente estequiométrico.

A + Y X + P
X + Y 2 P
A + X 2 X + 2 Z
2 X A + P
B + Z 12f Y

Aplicando, então, as equações de taxa, onde v é a taxa da reação e ki corresponde às constantes de taxa de reação:

v1 = k1 [A][Y] v2 = k2 [X][Y] v3 = k3 [A][X] v4 = k4 [X]2 v5 = k5 [B][Z]

Para construir o modelo Oregonator, é necessário supor que as concentrações de A e B permaneçam constantes (estão associadas às concentrações iniciais dos precursores). Posteriormente, deve-se aplicar as técnicas padrão de cinética química para obter o modelo dinâmico considerando X, Y e Z como variáveis dinâmicas, assumindo que as reações químicas são elementares, ou seja, os coeficientes estequiométricos coincidem com a potência das variáveis dinâmicas. Considerando τ como o tempo, vemos as seguintes equações de velocidade:

d[X]dτ=k1[A][Y]k2[X][Y]+k3[A][X]2k4[X]2
d[Y]dτ=k1[A][Y]k2[X][Y]+12fk5[B][Z]
d[Z]dτ=2k3[A][X]k5[B][Z]

A análise é simplificada convertendo essas equações em uma forma adimensional:

x2k4[X]k3[Y] yk2[X]k3[A] zk5k4[B][Z](k3[A])2 tk5[B]τ

A partir de operações algébricas com as equações acima, obtemos para x, y e z, o seguinte sistema de equações diferenciais não lineares:

dxdt=qyxy+x(1x)ϵ dydt=qyxy+fzϵ dzdt=xz

Onde ϵk5[B]k3[A], ϵ2k4k5[B]k2k3[A] e q2k4k1k2k3. Como parâmetro ϵ105, é possível considerar a aproximação do estado estacionário da variável y, portanto, yfzq+x então as equações são reduzidos para:

ϵdxdt=x(1x)+fqxq+xz
dzdt=xz


Dessa forma, o modelo de Oregonator mostra a forma típica de um sistema de feedback químico, ou seja, a variável x, que será reescrito como u, funciona como um ativador, enquanto a variável z, que será reescrita como v, tem o papel de inibidor. Se para as equações termos associados à difusão são adicionados, onde Du e Dv são os coeficientes de difusão adimensionais, e 2 é o operador Laplaciano, então, o sistema torna-se:

ϵdudt=u(1u)+fquq+uv+Du2u
dvdt=uv+Dv2v



Implementação

Antes de discretizarmos a equação para que assim possamos utiliza-la em um código, explicaremos brevemente métodos e fórmulas utilizados para isso.

Método FTCS (Forward Time Centered Space)

De modo a resolver numericamente as equações descritas acima, serão utilizado o método FTCS (Forward Time Centered Space), que consiste em um método para resolver equações parciais através da derivada parcial de primeira ordem no tempo por uma diferença finita e progressiva e a derivada parcial de segunda ordem no espaço por uma diferença centrada, como vemos logo abaixo:

ftf(h,t+dt)f(h,dt)Δt=fin+1finΔt
2fh2f(h,tdt)2f(h,t)+f(h,t+1)Δh2=fin12fin+fin+1Δh2


Laplaciano

...para a aplicação em vetores de duas dimensões, o laplaciano será aplicado desta forma:

2f(h,t)=2fx2+2fy2
2f(h,t)=f(x+dh,y,t)+f(xdh,y,t)+f(x,y+dh,t)+f(x,ydh,t)4f(x,y,t)dh2

De modo a simplificar a expressão para analises posteriores, reescreveremos desta forma, considerando uma analise 2D:

2f(h,t)=fR+fL+fU+fD4fCdh2


Aplicação dos Métodos para a Reação de Belousov-Zhabotinsky

Considerando a equação ϵut=u(1u)+fquq+uv+Du2u:


ϵui,jn+1ui,jnDt=uC(1uC)+fquCq+uCvC+Du(uR+uL+fU+uD4uCDh2)
ui,jn+1ui,jn=[uC(1uC)+fquCq+uCvC+Du(uR+uL+uU+uD4uCDh2)]Dtϵ
ui,jn+1=uC+[uC(1uC)+fquCq+uCvC+Du(uR+uL+uU+uD4uCDh2)]Dtϵ


Considerando a equação vt=uv+Dv2v:


vi,jn+1vi,jnDt=uCvC+Dv(vR+vL+vU+vD4vCDh2)
vi,jn+1vi,jn=[uCvC+Dv(vR+vL+vU+vD4vCDh2)]Dt
vi,jn+1=vC+[uCvC+Dv(vR+vL+vU+vD4vCDh2)]Dt





teste

condições iniciais

ui,j0=1 se 0 < 8(0.01i - 0.5) < (0.01j - 0.5) senão = 0

vi,j0=1 se 0 < -(0.01j - 0.5) < 8(0.01i - 0.5) senão = 0


ui,jn+1=ui,jn+(ui,jn(1ui,jn)fvi,jn(ui,jnq)(ui,jn+q)+u((ui+1,jn+ui1,jn+ui,j+1n+ui,j1n4ui,jn)Dh2)dte


vi,jn+1=vi,jn+(ui,jnvi,jn+v((vi+1,jn+vi1,jn+vi,j+1n+vi,j1n4vi,jn)Dh2)dt