FísicaENEMBNCC EM13CNT102Difícil⏱ longo

Projete um protótipo de coletor solar passivo para aquecer m = 80,0 kg de água de Ti = 15 °C até Tf = 45 °C em…

Publicado por Alexandre Lombardi dos Santos, fundador do GeraProva

Habilidade BNCC EM13CNT102

Realizar previsões, avaliar intervenções e/ou construir protótipos de sistemas térmicos que visem à sustentabilidade, considerando sua composição e os efeitos das variáveis termodinâmicas sobre seu funcionamento, considerando também o uso de tecnologias digitais que auxiliem no cálculo de estimativas e no apoio à construção dos protótipos.

Fonte: Base Nacional Comum Curricular (MEC).

Questão

Projete um protótipo de coletor solar passivo para aquecer m = 80,0 kg de água de Ti = 15 °C até Tf = 45 °C em t = 4,0 h. Considere irradiância média G = 600 W/m², eficiência ? = 0,60, coeficiente de perdas U = 6,0 W/(m²·K), Tamb = 20 °C e c = 4,18×10^3 J/(kg·°C). Calcule a área mínima A do coletor e descreva como usar uma planilha para simular variações e reduzir efeitos de dilatação térmica no protótipo.

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

Resposta esperada

Modelo: Q = m·c·?T = 80·4,18×10^3·(45-15) = 1,0032×10^7 J. t = 4,0 h = 1,44×10^4 s ? P = Q/t ˜ 696 W. Potência útil por área: p = G·? - U·(Tavg-Tamb), com Tavg = (15+45)/2 = 30 °C ? p = 600·0,60 - 6·(30-20) = 300 W/m². A = P/p = 696/300 ˜ 2,32 m² ? adote A ˜ 2,4 m². Use planilha para variar G, ? e U e recalcular A; analisar sensibilidade. Para dilatações, calcule ?L = a·L·?T e escolha materiais e juntas (a reduzido) para compensar expansão.

Explicação

O cálculo da energia necessária para aquecer a água é feito utilizando a fórmula Q = m·c·?T, que fornece a quantidade de calor necessária. A potência útil do coletor é determinada levando em conta a eficiência e as perdas térmicas, permitindo calcular a área mínima necessária para atingir a temperatura desejada. A utilização de uma planilha para simular variações nos parâmetros permite analisar a sensibilidade do sistema e ajustar o projeto para minimizar os efeitos da dilatação térmica, escolhendo materiais adequados.

Raio-X da questão

Dificuldade Difícil

Bloom Criar

Leitura alto

Discriminação alto

Peso pedagógico alto

Autonomia do enunciado completo

Cobertura da habilidade multipla

🧪 Simulado🩺 Diagnóstico🧮 Exige cálculo🏠 Cotidiano🔗 Interdisciplinar⭐ Representativa✍️ calculativa🧩 desafio

🎯 Conceito central

coletor solar passivo

📌 Objetivo

avaliacao

🧱 Pré-requisitos

transferência de calor · cálculo de área

📚 Reveja

Revisar os conceitos de eficiência e perdas térmicas em coletores solares.

⚠️ Erro mais comum

O aluno pode confundir a eficiência do coletor com a irradiância, levando a um cálculo incorreto da área necessária.

🌎 Tema transversal

ciencia_tecnologia

🤝 Socioemocional

criatividade

🏫 Contexto

cientifico

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