Projete um protótipo passivo sustentável para manter uma caixa térmica com 3,00 kg de alimentos à =60 °C por t…
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
Projete um protótipo passivo sustentável para manter uma caixa térmica com 3,00 kg de alimentos à =60 °C por t = 6,0 h quando T_ext = 20 °C, usando PCM, isolamento e controle digital para monitoramento. Indique massa de PCM, materiais, dimensões aproximadas e cálculo de perdas.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
Modelo-resposta (resumo): assumir c_food = 3500 J·kg?¹·K?¹; permitir ?T_food = 5 K ? Q_food = 3·3500·5 = 52,500 J. Escolher caixa com A ˜ 0,8 m², isolamento d = 0,08 m, k = 0,04 W·m?¹·K?¹ ? U ˜ k/d = 0,50 W·m?²·K?¹. Com ?T = 40 K: P_loss = U·A·?T = 0,5·0,8·40 = 16 W; Q_loss = 16·(6·3600) = 345,600 J. Q_total ˜ 398,100 J. Escolher PCM com L = 1,80×10^5 J·kg?¹ (fusões ~60 °C) ? m_PCM = Q_total / L ˜ 2,21 kg. Materiais: núcleo interior inox, PCM encapsulado em placas, isolamento EPS d = 0,08 m + folha refletiva externa, vedação térmica. Dimensões internas ˜ 0,20×0,15×0,10 m (V ˜ 3 L) para 3 kg de alimento. Carregamento do PCM por coletor solar ou resistência elétrica com controle; monitoramento digital com sensor de temperatura (ex.: DS18B20) e microcontrolador para registro e alarmes. Incluir cálculo detalhado das áreas, coeficiente U efetivo e segurança térmica ao projetar protótipo real.
Explicação
A solução apresentada considera os princípios da termodinâmica, calculando a quantidade de calor necessária para manter a temperatura dos alimentos e as perdas térmicas através do isolamento. A escolha do PCM e dos materiais adequados garante eficiência no armazenamento de calor, enquanto o monitoramento digital permite controle preciso das condições internas. A abordagem prática com dimensões e métodos de carregamento viabiliza a implementação do protótipo sustentável.
Raio-X da questão
isolamento térmico e PCM
avaliacao
isolamento térmico · mudanças de fase
Revisar conceitos de transferência de calor e propriedades de materiais térmicos.
Os alunos podem subestimar a quantidade de PCM necessária, não considerando adequadamente as perdas térmicas ao longo do tempo.
ciencia_tecnologia
criatividade
cientifico
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