modelo químico de rössler

3
Modelo químico de Rössler Adalberto Cortés Ruiz. Septiembre 2016, Facultad de Ingeniería Química Éste modelo fue diseñado por el biólogo alemán Otto Rössler al estudiar las oscilaciones en la reacción química de Belousov-Zhabotinsky 1 (Grimalt & Pujol, 1999), que es la oxidación de ácido malónico (C 3 H 4 O 4 ) mediante bromato en presencia de iones metálicos (BrO 3 - ), llegando a dar un modelo que tenía un comportamiento caótico para ciertos valores de los parámetros (htt). dx y z dt dy x ay dt dz b zx c dt (3.1) Donde x, y y z son las concentraciones de sustancias en las reacciones químicas estudiadas por Rössler; a, b y c son parámetros cuyos valores dados por el mismo Rössler son a=b=0.2 y c=5.7. Con condiciones iniciales x(0)=0, y(0)=-6.7 y z(0)=0.02 Figura 1. modelo de Rössler aplicado a una reacción oscilante, el parámetro c cuando es mayor a 5 el sistema se vuelve caótico De la figura 1, es posible notar en las gráficas de concentración contra tiempo que no es posible alcanzar un término estable (estado estacionario) debido a que es un sistema con comportamiento 1 Una reacción oscilante se encuentra en una situación fuera del equilibrio, si las oscilaciones son periódicas, es posible encontrar un régimen regular. En caso contrario se encuentra un régimen caótico.

Upload: dr-perro

Post on 14-Feb-2017

62 views

Category:

Engineering


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Modelo químico de Rössler

Modelo químico de Rössler

Adalberto Cortés Ruiz. Septiembre 2016, Facultad de Ingeniería Química

Éste modelo fue diseñado por el biólogo alemán Otto Rössler al estudiar las oscilaciones en la

reacción química de Belousov-Zhabotinsky1 (Grimalt & Pujol, 1999), que es la oxidación de ácido

malónico (C3H4O4) mediante bromato en presencia de iones metálicos (BrO3-), llegando a dar un

modelo que tenía un comportamiento caótico para ciertos valores de los parámetros (htt).

dxy z

dt

dyx ay

dt

dzb z x c

dt

(3.1)

Donde x, y y z son las concentraciones de sustancias en las reacciones químicas estudiadas por

Rössler; a, b y c son parámetros cuyos valores dados por el mismo Rössler son a=b=0.2 y c=5.7. Con

condiciones iniciales x(0)=0, y(0)=-6.7 y z(0)=0.02

Figura 1. modelo de Rössler aplicado a una reacción oscilante, el parámetro c cuando es mayor a 5 el sistema se vuelve caótico

De la figura 1, es posible notar en las gráficas de concentración contra tiempo que no es posible

alcanzar un término estable (estado estacionario) debido a que es un sistema con comportamiento

1 Una reacción oscilante se encuentra en una situación fuera del equilibrio, si las oscilaciones son

periódicas, es posible encontrar un régimen regular. En caso contrario se encuentra un régimen caótico.

Page 2: Modelo químico de Rössler

de flujo aperiódico (caótico). Aun así, para un sistema periódico oscilatorio, como el caso del

biorreactor, el estado estacionario se define como la amplitud de la onda oscilatoria. En éste caso

no se presenta una amplitud constante pero sí es posible dar un valor aproximado estimado para

los valores correspondientes a un estado estacionario, 0 0 0 0x y z .

0 1 1

1 0

0

f f f

x y z

g g gJ a

x y zz x c

h h h

x y z

(3.2)

Para la linealización, se determina la matriz Jacobiana del sistema (3.1). A partir de la matriz

Jacobiana y los valores iniciales estimados ( 0 0 0, ,x y z ) es posible predecir si la linealización será

estable o no a partir del cálculo de los eigenvalores λ. Si λ contiene algún valor con signo negativo,

por (Torres Henao, 2013) se puede asegurar que la linealización tendrá una geometría de foco o

punto inestable, (figura 2).

Tabla 1. Eigenvalores para la matriz jacobiana (3.2)

λ1 λ2 λ3 0.1000 + 0.9950i 0.1000 - 0.9950i -5.7000 + 0.0000i

,

, ,,

,

, ,,

,

, ,

,, ,,

,, ,,

,, ,

( , , )

( , , )

( , , )

o o o

o o o o o oo o o

o o o

o o o o o oo o o

o o o

o o o o o o

o o ox y zx y z x y zx y z

o o ox y zx y z x y zx y z

o ox y zx y z x y z

dx f f ff x y z x x y y z z

dt x y z

dy g g gg x y z x x y y z z

dt x y z

dz h hg x y z x x y y

dt x y

,,o o o

o

x y z

hz z

z

(3.3)

Si cada derivada parcial que compone a la matriz (3.2) se sustituye en (3.3) se obtiene un polinomio

que debería aproximarse al sistema no lineal (3.1) en los puntos 0 0 0, x y zy .

Page 3: Modelo químico de Rössler

Figura 2. La linealización se vuelve inestable y tiende a infinito

Figura 3. comparación del sistema no lineal con su linealización en x0=5.75

Tabla 2. eigenvalores correspondientes a la linealización con los parámetros de la figura 3

λ1 λ2 λ3 0.0993 + 1.0000i 0.0993 - 1.0000i 0.0515 + 0.0000i