Proponha um protótipo passivo (coletor plano + massa térmica em água) para elevar a temperatura de uma sala V…
Publicado por Alexandre Lombardi dos Santos, fundador do GeraProva
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
Proponha um protótipo passivo (coletor plano + massa térmica em água) para elevar a temperatura de uma sala V = 40 m³ em ?T = 5,0 °C durante t = 8 h noturnas, usando energia coletada em 6 h de sol com irradiância média I = 600 W·m?² e eficiência do coletor ? = 0,60. Use c_w = 4186 J·kg?¹·K?¹, ?_w = 1000 kg·m?³, c_ar = 1005 J·kg?¹·K?¹, ?_ar = 1,2 kg·m?³. Calcule área do coletor e massa de água necessária; descreva montagem.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
Modelo: m_ar = ?_ar·V = 1,2·40 = 48 kg. Energia requerida: Q_req = m_ar·c_ar·?T = 48·1005·5 = 241200 J. Armazenamento em água: Q_req = m_w·c_w·?T_w. Assuma ?T_w = 40 K (ex.: 20?60 °C) ? m_w = 241200/(4186·40) ˜ 1,44 kg. Energia coletada: E_col = I·?·A·t = 600·0,60·A·(6 h = 21600 s) = 7.776·10^6·A J. Para obter Q_req: A = 241200/7.776e6 ˜ 0,031 m². Recomendações práticas: adotar fator de segurança (×5) para perdas e eficiência real ? A_prática ˜ 0,16 m² e m_w_prática ˜ 7,2 kg; usar recipiente isolado para a água, trocador térmico (tubulação) e controle de fluxo de ar entre coletor e sala para liberar calor gradualmente durante as 8 h.
Explicação
A solução apresentada considera a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura do ar na sala e calcula a massa de água necessária para armazenar essa energia, utilizando as propriedades térmicas dos materiais envolvidos. O cálculo da área do coletor é baseado na energia que ele pode coletar durante o período de exposição ao sol, levando em conta a eficiência do sistema. As recomendações práticas garantem que o sistema funcione de forma eficaz, compensando possíveis perdas e assegurando um aquecimento gradual e controlado da sala.
Raio-X da questão
coletor solar passivo
avaliacao
termodinâmica básica · transferência de calor
Revisar os princípios de transferência de calor e eficiência de coletores solares.
O aluno pode confundir a quantidade de calor necessária para aquecer a água com a quantidade de calor que o coletor solar pode fornecer, resultando em cálculos incorretos.
ciencia_tecnologia
pensamento_critico
cientifico
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