Projete um coletor solar passivo para aquecer 50,0 kg de água de 20 °C a 60 °C em 3,0 h. Considere irradiância…
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 coletor solar passivo para aquecer 50,0 kg de água de 20 °C a 60 °C em 3,0 h. Considere irradiância média útil de 800 W·m?² e eficiência do coletor 60%. Apresente os cálculos do tamanho mínimo de coletor e medidas de isolamento e controle a incluir no protótipo, usando unidades SI.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
Cálculo da energia necessária: Q = m·c·?T = 50,0 kg·4200 J·kg?¹·K?¹·(60-20) K = 50·4200·40 = 8,400,000 J. Tempo t = 3,0 h = 10800 s ? potência média requerida P_req = Q/t = 8,400,000 J / 10800 s ˜ 777,8 W. Potência disponível por metro quadrado P_disp = irradiância·eficiência = 800 W·m?²·0,60 = 480 W·m?². Área mínima A = P_req / P_disp ˜ 777,8 / 480 ˜ 1,62 m². Recomendações de protótipo: usar coletor com vidro temperado e revestimento seletivo, reservatório bem isolado com lã mineral ou poliuretano para minimizar perdas, válvula de segurança e termômetro digital; empregar bomba de circulação de baixa potência ou circulação por termo-sifão, sensor de temperatura e microcontrolador para monitorar T e acionar circulação. Estimar perdas: adicionar margem de 20% na área para compensar incertezas e dias nublados ? A_prática ˜ 1,95 m². Todos os cálculos em unidades SI (J, s, W, m²).
Explicação
A solução apresenta um cálculo detalhado da energia necessária para aquecer a água, considerando a massa, a capacidade térmica e a variação de temperatura. Além disso, determina a potência requerida e a área mínima do coletor com base na eficiência e na irradiância disponível. As recomendações para o protótipo incluem medidas de isolamento e controle, essenciais para otimizar o desempenho e garantir a segurança do sistema.
Raio-X da questão
coletor solar passivo
avaliacao
cálculo de energia térmica · eficiência de sistemas
Revisar os princípios de funcionamento de coletores solares e eficiência térmica.
O aluno pode errar ao não considerar a eficiência do coletor, calculando a área necessária apenas com a irradiância sem ajustar para a eficiência.
ciencia_tecnologia
pensamento_critico
cientifico
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