DISSERTATIVA — Proponha e calcule um protótipo de sistema térmico sustentável para aquecimento noturno de uma…

Questão

DISSERTATIVA — Proponha e calcule um protótipo de sistema térmico sustentável para aquecimento noturno de uma sala de aula pequena (volume 60 m³). Considere coletores solares, isolamento e um material de mudança de fase (PCM) para armazenamento. Forneça estimativas numéricas da energia requerida para manter ?T = 5 K durante 10 h, escolha massa e L ou c do PCM, dimensão dos coletores e justificativas térmicas (use ?_ar = 1,2 kg·m?³, c_ar = 1000 J·kg?¹·K?¹, L_pcm e c_pcm conforme sua escolha).

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

Resposta esperada

Resposta-modelo (exemplo resumido): 1) Demanda térmica do ar: m_ar=?_ar·V=1,2·60=72 kg; E_ar = m_ar·c_ar·?T =72·1000·5 =360.000 J. 2) Estimar perdas: admitir U·A˜30 W·K?¹ ? perda térmica contínua P_loss = U·A·?T =30·5=150 W; energia em 10 h: E_loss =150·36000 s =5,4×10^6 J. 3) Energia total requerida: E_tot = E_ar + E_loss ˜5,76×10^6 J. 4) Escolha PCM: L_pcm = 200 kJ·kg?¹ (2,00×10^5 J·kg?¹); massa necessária m_pcm = E_tot / L_pcm ˜5,76×10^6 /2,00×10^5 ˜28,8 kg ? adotar m_pcm ˜ 30 kg. 5) Coletores solares: assumir irradiância média útil 600 W·m?² e eficiência do sistema 50% ? potência útil por m² =600·0,5=300 W·m?². Energia diária útil por hora por m² =300·3600=1,08×10^6 J; em 5 h de insolação útil: E_5h ˜5·1,08×10^6=5,4×10^6 J por m². Assim, coletor necessário ˜ E_tot / E_5h ˜5,76×10^6 /5,4×10^6 ˜1,07 m² ? adotar A_col˜1,2 m² para margem. 6) Isolamento: reduzir U·A para 15 W·K?¹ corta E_loss pela metade; então pode reduzir m_pcm ou A_col. 7) Justificativa: o PCM armazena calor latente com alta densidade energética, coletores fornecem energia durante o dia, isolamento reduz perdas; cálculos usam m·c·?T, Q_loss = U·A·?T·t e Q_pcm = m_pcm·L_pcm. Valores e dimensões finais devem ser adaptados conforme PCM real (L e faixa de fusão) e verificação experimental do ciclo térmico.

Explicação

A solução apresentada aborda todos os aspectos essenciais do problema, incluindo a demanda térmica, as perdas de energia e a escolha do material de mudança de fase, garantindo que a sala de aula mantenha a temperatura desejada. Os cálculos são realizados de forma lógica e sistemática, considerando a eficiência dos coletores solares e a importância do isolamento. A escolha do PCM e a dimensionamento dos coletores são fundamentados em dados reais, o que assegura a viabilidade do sistema proposto.

Raio-X da questão

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