Um coletor solar de área A = 3,0 m² recebe irradiância média G = 700 W·m?² durante t = 5,0 h e aquece V = 120…

Questão

Um coletor solar de área A = 3,0 m² recebe irradiância média G = 700 W·m?² durante t = 5,0 h e aquece V = 120 L de água (? = 1000 kg·m?³, c = 4186 J·kg?¹·K?¹) de Ti = 20 °C a Tf = 55 °C. Calcule: (a) energia incidente no coletor Ein = G·A·t; (b) energia térmica absorvida pela água Q = m·c·?T; (c) eficiência ? = Q/Ein. Em seguida, redija um parágrafo comunicando os resultados e implicações para sustentabilidade do aquecimento.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Dados: A=3,0 m²; G=700 W·m?²; t=5,0 h=5·3600=18000 s; V=120 L=0,120 m³ ? m=?V=1000·0,120=120 kg; ?T=55–20=35 K; c=4186 J·kg?¹·K?¹. (a) Ein = G·A·t = 700·3,0·18000 = 3,78×107 J. (b) Q = m·c·?T = 120·4186·35 = 1,75812×107 J ˜ 1,76×107 J. (c) ? = Q/Ein = 1,75812×107 / 3,78×107 ˜ 0,465 ? 46,5%. Parágrafo comunicativo (modelo): O coletor recebeu 3,78×107 J de radiação solar em 5,0 h, dos quais cerca de 1,76×107 J foram armazenados na água, resultando em eficiência global de ˜46,5%. Esses números indicam que quase metade da energia incidente foi convertida em aquecimento útil, reduzindo a necessidade de energia elétrica fóssil para aquecimento de água e, portanto, as emissões de CO2 associadas. Melhorias na isolação do tanque e na seletividade da superfície do coletor podem aumentar a eficiência e os benefícios ambientais.

Explicação

Os cálculos realizados para a energia incidente, a energia térmica absorvida pela água e a eficiência do sistema são baseados em fórmulas físicas fundamentais que relacionam a irradiância, a massa da água e a variação de temperatura. A eficiência calculada de 46,5% demonstra a capacidade do coletor solar de converter energia solar em calor útil, o que é um indicador positivo para a sustentabilidade. Além disso, a análise sugere que melhorias no sistema podem potencialmente aumentar essa eficiência, contribuindo para uma redução maior no uso de fontes de energia não renováveis.

Raio-X da questão

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