Computational Intelligence can be defined as a collection of methods that solve problems by means of intelligence, reasoning, and tolerance to imprecision. In this thesis, Computational Intelligence techniques such as optimization metaheuristics, neural networks, fuzzy logic, and bayesian inference are applied to solve inverse heat transfer problems. To achieve this, five case studies with that aim are presented The first study deals with the problem of identification of contact failures in the bonding of different materials. This is formulated as an Inverse Heat Conduction Problem and solved with an Artificial Neural Network. The second one employs the Fuzzy Levenberg-Marquardt method with Tikhonov Regularization in order to solve a combined conduction-radiation inverse problem. In the third, the performance of the Topographical Global Optimization algorithm is compared when initialized with two different point generators and finalized with two different local search methods for the solutions of inverse heat transfer problems. The fourth study presents a method to predict the optimal value of the Tikhonov’s regularization parameter by solving simplified versions of the inverse problems considered, where tests are performed on three function estimation inverse heat transfer problems. In the fifth study, the formulation and solution of a bioheat transfer model of the brain containing a Deep Brain Stimulation (DBS) lead is presented and, furthermore, this solution is used for solving an inverse problem of determining the thermal and electrical conductivities of the brain tissue using measurements supposedly obtained with a sensor inside the DBS lead. In conclusion, this thesis shows the capabilities of various Computational Intelligence techniques in solving inverse heat transfer problems. The results presented contribute to two main categories: the field of inverse heat transfer, its applications in science and engineering; and the development of efficient computational procedures based on Computational Intelligence techniques.

A análise de problemas de dissipação de calor que envolvem aletas, tipicamente são expressos em situações de dissipação térmica, a qual é incrementada pela superfície estendida. Muitos modelos de problemas como desse tipo já foram desenvolvidos, onde cada modelo parte de pressuposições, simplificações ou aproximações que permitam ou colaborem com a solução do problema. Nesse sentido, este trabalho busca uma nova abordagem ao problema, propondo uma perspectiva analítica e outra numérica em uma modelagem que contemple fatores e fenômenos desconsiderados pela literatura específica para uma aplicação onde haja a dissipação de calor a partir de uma superfície primária, em que está ligada uma aleta porosa. A porosidade da aleta deixa a situação mais sofisticada, e essa análise em muitos estudos não é realizada adequadamente, pois os poros internos da aleta permitem que a superfície de troca de calor seja maximizada. Aliada a isso, será implementado um modelo não linear, pois a troca de calor por radiação térmica, bem como a convecção térmica serão avaliados, o que torna a equação que rege o problema como um modelo não linear. Para a modelagem a equação se baseia no método de Darcy para meios porosos, em que simulações numéricas buscam a solução de uma sequência de problemas lineares, onde cada elemento dessa sequência possui um princípio mínimo equivalente, que tem como limite a solução do problema original. À equação não linear que governa o problema é aplicado o método de Diferenças Finitas e, assim, é estudada a sequência de problemas lineares proposta e sua convergência. É investigada, por fim, a influência do parâmetros físico de radiação e como ela traz o modelo mais próximo de situações reais.

Este trabalho apresenta um problema de condução de calor em um compósito laminado com aquecimento por meio da aplicação de um fluxo de calor na superfície inferior e trocando calor com o ambiente por convecção na superfície superior e tem como objetivo avaliar e detectar a possível existência de falhas de contato na região de um adesivo que une as camadas. As equações do problema foram escritas obedecendo a uma formulação de domínio único, que possibilita redigir o mesmo sistema de equações para os diferentes domínios do problema, bastando apenas escrever as propriedades dos materiais como funções com variação espacial. Devido ao alto custo computacional observado para solucionar o problema direto associado, neste trabalho são propostos dois modelos reduzidos diferentes que representam uma aproximação do modelo completo, porem com menor custo computacional. O primeiro envolve a modelagem da região do adesivo utilizando uma formulação Improved Lumped. Por sua vez, o segundo envolve a modelagem da camada superior do material. O problema direto foi resolvido utilizando a função NDSolve do software Mathematica e para verificar a convergencia da solução foi utilizada a técnica da transformada integral clássica e o software COMSOL. A identificac ̧ao de falha, para ambos os modelos propostos, envolve a estimativa de funções com variação espacial. O problema inverso foi resolvido utilizando o metodo de Monte Carlo via Cadeias de Markov (MCMC) dentro de uma abordagem Bayesiana, que foi implementado com o algoritmo de Metropolis-Hastings com priori Total Variation. As metodologias de detecc ̧ao de falhas foram analisadas por meio de medidas simuladas de temperatura. Foi observado que os modelos reduzidos propostos foram capazes de estimar a regiao de falha de contato em todos os casos considerados com redução do custo computacional.

Neste trabalho, o problema inverso de identificação das propriedades térmicas em um problema de condução de calor em uma placa termicamente fina, é formulado e resolvido via inferência Bayesiana. Para tanto, é considerado um novo método de Monte Carlo com cadeias de Markov como ferramenta de amostragem: o método de Monte Carlo Hamiltoniano. Diferente dos métodos MCMC de caminhada aleatória, o método HMC considera o gradiente da distribuição de probabilidade a posteriori, presente na dinâmica Hamiltoniana, para explorar de forma eficiente e consistente o espaço dos parâmetros. Aqui não são considerados dados experimentais reais. Em adição, o mesmo modelo matemático é usado na geração dos dados experimentais sintéticos e na solução do problema direto, caracterizando o crime inverso. Contudo, diferentes técnicas de solução são consideradas de forma a atenuá-lo. Neste contexto, a Técnica da Transformada Integral Clássica (CITT) é usada para gerar os dados sintéticos, pela adição de um sinal ruidoso, enquanto que o Método das Diferenças Finitas (FDM) é empregado na solução do problema direto. De modo a ter-se um melhor entendimento sobre o comportamento do modelo usado para descrever o problema de condução de calor, é feito um estudo de sensibilidade, identificando os instantes de tempo de interesse e a melhor posição de sensoriamento. A fim de se destacar as vantagens do método HMC, são consideradas as mesmas simulações com o algoritmo de Metropolis-Hastings, para então ser possível comparar as soluções. Devido às distribuições de probabilidade consideradas neste trabalho serem de baixa ordem (apenas duas variáveis), não é possível destacar a eficiência computacional do HMC frente ao MH. Contudo, é possível realizar análises qualitativas das amostras obtidas com ambos os métodos. Das principais vantagens do HMC em relação ao MH observadas neste trabalho, destacam-se o reduzido burn-in e a elevada taxa de aceitação nas cadeias de Markov. Também foi visto que as distribuições de probabilidade a posteriori tendem a ser menos correlacionadas, contribuindo para o carácter aleatório das distribuições de probabilidade obtidas via inferência Bayesiana.

A partir de uma demanda da indústria para a melhoria da qualidade laboral, instituições de ensino e de pesquisas se uniram para estudar e caracterizar carbonos grafíticos sintetizados pelo processo de pirólise, usando ligninas como matérias primas, devido à estrutura fenólica coplanar, para utilização como filtros de compostos orgânicos voláteis. Utilizaram-se neste trabalho três amostras em pó de lignina: uma comercial da empresa SIGMA-ALDRICH, com baixo teor de sulfonato, extraída pelo método Kraft e outras duas amostras extraídas do bagaço da cana-de-açúcar pelo método Soda, sendo uma fornecida pelo LADEBIO e outra extraída no Instituto SENAI de Inovação em Química Verde (ISI). Todas as amostras foram caracterizadas antes do início das pirólises, para comparação do efeito térmico nas amostras. Para a obtenção dos carbonos grafíticos todas as amostras foram pirolisadas em duas temperaturas, 400°C e 800°C, com uma taxa de aquecimento fixada em 5°C/min, usando-se um forno convencional, com controlador de temperatura e o resfriamento após pirólise sendo feito ao ar. As temperaturas foram escolhidas após análises térmicas TGA, DTG e DSC realizadas nas amostras como recebidas. As mesmas análises térmicas apresentaram uma perda de massa significativa relacionada à eliminação de compostos com baixo peso molecular e mais voláteis, assim como a quebra de ligações dos compostos e grafitização do material. Esses resultados foram corroborados por análises de espectroscopia na região de comprimento de onda do infravermelho que apresentou uma menor absorção no material pirolisado se comparada com a amostra inicial, o que indica uma perda de grupos funcionais, e por espectroscopia Raman, que apresentou picos característicos de materiais grafíticos amorfos. Mudanças na morfologia das amostras após as pirólises foram determinadas utilizando-se a técnica MEV-FEG. O ensaio de MEV-EDS utilizado para a análise semi-quantitativa dos elementos químicos mostrou a presença de enxofre apenas na amostra comercial e não foram observados contaminantes nas amostras. As pirólises alteraram as estruturas das amostras, transformando-as em carbonos grafíticos.

A NBR 16401-1 fornece dados climáticos de projeto para 34 cidades brasileiras e recomenda que, caso a cidade do projeto não esteja entre as listadas, se adote os dados daquela cujos parâmetros climáticos mais se aproximam aos da cidade do projeto. Esta dissertação tem como principal objetivo ampliar o estudo de avalição dos resultados de se utilizar os dados climáticos de cidades listadas na norma NBR 16401-1, para calcular a carga térmica de edificações localizadas em cidades não listadas por ela. Para tal avaliação, para cada cidade objeto de estudo, a carga térmica de uma mesma edificação foi calculada com auxílio do software HAP, versão 5.11, de duas maneiras diferentes: utilizando-se a recomendação da norma e utilizando-se dados climáticos específicos da cidade de projeto calculados a partir do sistema web DwpGen. Foram determinadas dez cidades de diferentes zonas bioclimáticas brasileiras para compor o objeto de estudo, com o objetivo de torná-lo mais abrangente. Os resultados obtidos para o dia típico de projeto foram comparados para a avaliação das possíveis diferenças. Na maioria dos casos, verificou-se que utilizar os dados climáticos fornecidos pela norma é uma boa aproximação, desde que sejam adotados fatores de segurança os menores possíveis e parâmetros de projeto os mais confiáveis possíveis. Isto posto, concluiu-se sobre a importância de expandir a amostra de cidades listadas na NBR 16401-1, de forma que haja uma variedade considerável de cidades de cada zona bioclimática brasileira, para diferentes faixas de altitude.

O papel do calor sobre a pele e reparo tecidual permanece pouco esclarecido. Nosso objetivo foi investigar os efeitos desse calor sobre a pele e cicatrização cutânea. Camundongos machos foram submetidos a uma lesão excisional cutânea, divididos em dois grupos (n=10/grupo) e expostos a 23°C ou 43°C numa câmara térmica por 30 minutos, durante 13 dias. No 14° dia após a lesão, os animais foram eutanasiados, as lesões e as amostras de pele normal foram coletadas e processadas para análises. Na pele, o calor aumentou a espessura da epiderme, da derme, a expressão gênica e proteica do TGF-β. Aumentou a área de fibras de colágeno, diminuiu a expressão gênica da Col1a1 e a expressão proteica do colágeno tipo I. Aumentou a expressão de proteinas carboniladas, expressão gênica da Col3a1 e proteica do colágeno tipo III. Aumentou a área das fibras elásticas, a expressão gênica da fibrilina-1 e da elastina. Na lesão cutânea aumentou a área da lesão no 11° e 14° dias após a lesão e diminuiu a percentagem de lesões reepitelizadas no 14° dia após a lesão. Aumentou o comprimento gap epidérmico, a densidade de volume de miofibroblastos e o número de macrófagos. Aumentou a expressão proteica do colágeno tipo III e MMP-1, diminuiu a do colagénio tipo I e a atividade de MMP-2, aumentou a expressão proteica da fibrilina-1, MMP-12, TGFβ-1/2/3 e da ERK. Conclui-se que o calor pode apresentar efeitos anti-envelhecimento para a pele, entretanto, atrasa a cicatrização de lesões cutâneas de camundongos.

Este trabalho descreve a elaboração, a implementação e avaliação de uma sequência didática sobre a temática calor, mediado por tecnologias da informação e comunicação (TIC), em uma turma da 2ª série do Ensino Médio, composta por 19 alunos em uma escola da rede pública de ensino de Bagé. Utilizou-se como fundamentação teórica a Teoria da Flexibilidade Cognitiva (TFC) de Rand J. Spiro. Durante a sequência didática foram utilizadas: abordagem do contexto histórico, simulações, atividades experimentais e recursos de hipermídias, possibilitando assim com que os alunos percebam a presença dos conceitos envolvidos em suas vidas cotidiana, criando oportunidades para os alunos aprofundarem seus conhecimentos de termodinâmica. A pesquisa possui uma abordagem quantitativa que avaliou o ganho em aprendizagem dos estudantes referente à implementação da sequência didática através do método de ganho na aprendizagem, proposto por Hake (2002), com a aplicação de pré e pós testes, no início e ao final da execução de cada caso, além de uma abordagem qualitativa, através da análise de conteúdo (AC) proposta por Bardin (1977), que consiste no desmembramento do texto em unidades de significado. Nesta análise as unidades foram agrupadas em categorias de acordo com o sentido da mensagem. Como resultado, obtivemos ganhos na aprendizagem dos alunos de 53,44%, um resultado que aponta que as atividades de ensino são caracterizadas por um elevado engajamento interativo. A produção educacional resultante deste trabalho se constitui num material de apoio ao professor composto por: um site com diferentes mídias (https://calor2018.weebly.com/), fichas de atividades para aulas experimentais, slides e simulações que podem servir de apoio para professores de Física do Ensino Médio para ministrar suas aulas sobre a temática Calor.