Projete um protótipo de aquecedor solar passivo para aquecer 50 L de água de 20 °C a 60 °C numa escola…
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 de aquecedor solar passivo para aquecer 50 L de água de 20 °C a 60 °C numa escola. Descreva materiais, dimensões aproximadas do coletor, sensores e como usar uma planilha digital para prever rendimento. Considere c_{água}=4180 J·kg?¹·K?¹.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
massa m˜50 kg; Q = m·c·?T = 50·4180·40 = 8,36·10^6 J (8,36 MJ). Supondo irradiância média útil 600 W·m?² e 4 h efetivas, energia por m² = 600·4·3600 = 8,64·10^6 J; com eficiência ˜50% o coletor requer área ˜ Q/(0,5·8,64·10^6) ˜ 1,94 m² ? use 2,0 m² (ex.: 1 m × 2 m). Materiais: absorvedor metálico pintado de preto, vidro temperado como cobertura, isolamento térmico (k˜0,04 W·m?¹·K?¹, L˜0,05 m) nas laterais e fundo. Sensores: termistores ou DS18B20 (ºC) no reservatório e no coletor; registram temperatura a cada 10 min. Planilha: inserir curva de irradiância local, eficiência estimada e horas solares para prever energia diária e tempo para atingir ?T; simular variações sazonais e avaliar redução de consumo de energia elétrica. Intervenções sustentáveis: escolher materiais recicláveis, dimensionar para demanda real, e estimar economia anual de energia com base em kWh equivalente (1 kWh = 3,6·10^6 J).
Explicação
A explicação fornece um cálculo detalhado da energia necessária para aquecer a água, considerando a eficiência do coletor solar e a irradiância disponível. Além disso, descreve materiais adequados para a construção do protótipo e sugere o uso de sensores para monitoramento da temperatura, o que é essencial para otimizar o desempenho do sistema. Por fim, a proposta de usar uma planilha digital para simular e prever o rendimento do aquecedor solar demonstra uma abordagem prática e sustentável para o projeto.
Raio-X da questão
aquecedor solar passivo
avaliacao
princípios de termodinâmica · propriedades da água
Revisar princípios de transferência de calor e cálculo de energia.
Os alunos podem subestimar a quantidade de energia necessária para aquecer a água, não considerando a eficiência do sistema.
ciencia_tecnologia
criatividade
cientifico
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