Desenvolvimento de redes neurais artificiais para resolução de problemas inversos em cinética química: termogravimetria não isotérmica e motores de combustão interna
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Development of artificial neural networks for solving inverse problems in chemical kinetics: non-isothermal thermogravimetry and internal bombustion engines
Primeiro orientador
Membros da banca
Vânya Márcia Duarte Pasa
Breno Rodrigues Lamaghere Galvão
Claudio Marcio Santana
Renata Diniz
Breno Rodrigues Lamaghere Galvão
Claudio Marcio Santana
Renata Diniz
Resumo
Problemas inversos são comuns em cinética química e, em muitos casos, não possuem solução única ou estável, principalmente quando associados a dados experimentais com ruídos e fenômenos multietapa. Métodos tradicionais de ajuste de modelos cinéticos enfrentam limitações diante dessa complexidade. Nesse contexto, esta tese propõe o desenvolvimento de uma rede neural artificial do tipo MultiLayer Perceptron (MLP) para a resolução de problemas inversos em análise térmica, com foco na determinação do tripleto cinético (energia de ativação, fator pré-exponencial e modelo de reação) a partir de dados de termogravimetria não isotérmica e de motores de combustão interna. A metodologia foi validada com dados simulados e aplicada a sistemas reais de alta relevância científica e tecnológica, como biopolímeros, antioxidantes, nanomateriais e fármacos antivirais. No caso da análise térmica, a rede MLP mostrou-se capaz de combinar múltiplos modelos cinéticos, oferecendo uma interpretação mais realista dos processos de decomposição. Para motores de combustão interna, a rede foi adaptada para tratar dados de fração de massa queimada (MBF), permitindo inferir os parâmetros cinéticos da combustão em condições reais de operação. Os resultados demonstram que a rede MLP proposta é uma ferramenta robusta, precisa e versátil para a modelagem cinética de sistemas complexos. A abordagem híbrida adotada preserva o significado físico dos parâmetros e amplia as possibilidades de aplicação da inteligência artificial na química e na engenharia, oferecendo novas possibilidades para estudos cinéticos em ambientes acadêmicos e industriais.
Abstract
Inverse problems are common in chemical kinetics and often lack unique or stable solutions, especially when associated with experimental noise and multistep reaction mechanisms. Traditional kinetic model-fitting methods face significant limitations under such complexity. In this context, this thesis proposes the development of a MultiLayer Perceptron (MLP) artificial neural network to solve inverse problems in thermal analysis, focusing on the determination of the kinetic triplet — activation energy, pre-exponential factor, and reaction model — from non-isothermal thermogravimetric data and internal combustion engine experiments. The methodology was validated using simulated data and applied to real systems of high scientific and technological relevance, including biopolymers, antioxidants, nanomaterials, antiviral drugs, and automotive fuels. In the context of thermal analysis, the MLP network effectively combined multiple kinetic models, providing a more realistic interpretation of decomposition processes. For internal combustion engines, the network was adapted to analyze burned mass fraction (MBF) data, allowing the inference of combustion kinetic parameters under real operating conditions. The results demonstrate that the proposed MLP network is a robust, accurate, and versatile tool for kinetic modeling in complex systems. The hybrid approach preserves the physical significance of the parameters and expands the potential of artificial intelligence applications in chemistry and engineering, offering a new paradigm for kinetic studies in both academic and industrial environments.
Assunto
Físico-química, Redes neurais (Computação), Problemas inversos (Equações diferenciais), Cinética química, Termogravimetria, Análise térmica, Motores de combustão interna
Palavras-chave
Redes neurais artificiais, Problemas inversos, Análise térmica, Cinética química, Motores de combustão interna, Termogravimetria
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