Desenhe um protótipo de aquecedor solar de baixo custo para aquecer 10 L de água. Considere irradiância média…

Questão

Desenhe um protótipo de aquecedor solar de baixo custo para aquecer 10 L de água. Considere irradiância média 600 W/m², área coletora 0,50 m², eficiência térmica 50% e tempo de exposição 2 h. Apresente: (a) previsão do aumento de temperatura usando Q = m c ?T (c = 4180 J·kg?1·K?1); (b) procedimento para aferir temperaturas em °C e converter para K; (c) estimativa da dilatação linear de um suporte metálico de comprimento 1,20 m com a = 1,2·10?5 K?1 para a ?T calculada. Indique o uso de tecnologias digitais para cálculos e validação experimental.

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

Resposta esperada

Modelo de resposta (passos e cálculos): 1) Energia coletada: P = I·A·? = 600 W·m?2 ·0,50 m² ·0,50 = 150 W. Tempo t = 2 h = 7200 s. Q = P·t = 150 W · 7200 s = 1.080.000 J. 2) Aumento de temperatura da água: m = 10 kg; c = 4180 J·kg?1·K?1. ?T = Q/(m c) = 1.080.000 / (10·4180) ˜ 25,8 K (˜25,8 °C). Se a água inicial for 20 °C, temperatura final ˜ 45,8 °C. 3) Conversão de escalas: aferir com termômetro digital calibrado; usar pontos de referência (gelo fundente e ponto de ebulição) ou calibração do sensor; conversão K = °C + 273,15. 4) Dilatação linear do suporte: ?L = a·L0·?T = 1,2·10?5 K?1 · 1,20 m · 25,8 ˜ 3,72·10?4 m ˜ 0,372 mm. 5) Uso de tecnologias digitais: planilha ou software para calcular energia, ?T e ?L; registro com data logger/termopar; comparar medições com previsão; ajustar perdas (radiação, convecção) e repetir para validar. Observações: indicar fontes de erro, eficiência real menor por perdas e propostas de melhoria para sustentabilidade (isolamento, materiais recicláveis, otimização de área).

Explicação

A explicação detalha cada passo necessário para calcular a energia coletada, o aumento de temperatura da água, a conversão de escalas e a dilatação do suporte, utilizando fórmulas físicas apropriadas. Além disso, menciona a importância de tecnologias digitais para realizar cálculos precisos e validar experimentalmente os resultados, considerando também fontes de erro e propostas de melhoria. Essa abordagem sistemática garante uma compreensão clara do funcionamento do aquecedor solar e de suas variáveis envolvidas.

Raio-X da questão

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