Aprendendo Física em Rede

Colégio Pedro II – Campus Centro
1ª Série do Ensino Médio 2014 – Turma: 2102
Integrantes:
Beatriz Fernandes Medeiros de Castro Lopes – Nº 05
Jennifer Kelly Bezerra Gonçalves – Nº 16
Mylena Capareli do Nascimento Craveiro – Nº 27
Rebecca Nunes Rodrigues – Nº 31

 

Roteiro de Replicação

Para entender:

A mesma energia solar que ilumina e aquece o planeta pode ser usado para esquentar a água dos nossos banhos, acender as lâmpadas, energizar as tomadas de casa, etc. O sol é uma fonte inesgotável, renovável e limpa de energia e, quando falamos em sustentabilidade, em economia de recursos e de água, em economia de energia e redução da emissão de gás carbônico na atmosfera, nada mais natural do que pensarmos numa maneira mais eficiente de utilização da energia solar.
Para ser utilizada por nós, a energia solar deve ser transformada e, para isto, há duas maneiras principais de realizarmos essa transformação – os painéis fotovoltaicos e os aquecedores solares, estes que transformam esta energia em água quente para chuveiros, piscinas, pias; e que tivemos a oportunidade de aprender sobre, “pôr a mão na massa” e construir um destes. Com o trabalho sendo realizado em grupo, cada um pôde se ajudar em diferentes coisas, enriquecendo o elo de amizades e também nossos conhecimentos em termologia e propagação de calor, fazendo com que aprendêssemos de maneira divertida matérias que todo mundo achava impossível de entender.

 

 

Materiais utilizados:
– Uma bandeja pequena (metálica) retangular ou em forma para bolo pequena (de alumínio);
– Um pedaço de vidro (espessura 2mm) de dimensões compatíveis com as bandejas;
– Uma lata vazia (tipo de leite em pó);
– 70 cm de mangueira plástica fina (1/4);
– 4 pedaços (3cm de comprimento cada) de tubinho de alumínio (vareta de antena de TV);
– Tinta preto-fosco;
– Durepoxi normal (secagem lenta);
– 4 espaçadores de 4mm (para entre o fundo da bandeja e o pedaço de vidro).

 

OBS.: Encomendar o vidro com antecedência, pois ele demora cerca de 1 dia para ficar pronto, além disso, levar a badeja para que as medidas sejam bastante compatíveis, e precisas para que encaixe seja perfeito.

OBS².: Deixar para colocar o vidro quando todos os outros materiais já estiverem montados e o grupo certificado que estão bem presos.

 

 

Montagem:

Primeiro conseguimos a bandeja na casa de uma das componentes do grupo, e como a bandeja era antiga e já tinha sido utilizada, tivemos que lixá-la antes de aplicar tinta. A superfície da bandeja foi pintada na cor preto-fosco e em duas demãos para que não sobrasse nenhum resquício sem ser pintado. A obrigatoriedade da cor preta-fosco é devida a maior eficiência na absorção de energia (calor). Para melhor aderência da tinta na superfície, foi recomendado pelo pai de uma componente, que antes da pintura a superfície da bandeja fosse limpa com álcool etílico. A informação foi super bem-vinda e fizemos o que ele disse. Sabíamos estava certo, pois esse pai já trabalhou nesse ramo, então estava envolvido do que se tratava.
Seguindo passo a passo, tínhamos que fazer dois furos no fundo da bandeja e dois na lata (um 4cm abaixo do topo e outro próximo ao fundo), modo que a mangueira estivesse ligando os dois objetos e servindo de tubo para que a água passasse de um para o outro. O melhor modo para fazer esses furos era com furadeira, e como nenhuma de nós tinha uma disponível em casa, pedimos ao nosso amigo que levasse para casa e furasse para a gente.
Com a bandeja e lata já furadas, foi necessário cortar a mangueira de 70cm em duas partes de 35cm cada para o encaixe. Esse corte foi feito com uma tesoura. Para que ficassem bem presos e seguros, fixamos as mangueiras nos tubos metálicos com o Durepoxi* e em seguida os tubos na lata e na bandeja, ligando-os.
Por fim, colamos na bandeja os 4 espaçadores (um em cada borda) de 4mm (cada) com cola quente e pusemos o vidro, este que foi fixado com bastante Durepoxi para evitar vazamentos, cobrindo toda a área entre a bandeja e o vidro.
Deu para perceber que muitas coisas só ficaram prontas no dia seguinte e que, realmente, demoram a ser feitas, então é extremamente necessário que o trabalho seja feito com bastante antecedência, não só para compra e montagem dos materiais, mas também para que ainda seja testado, testado e testado, pois vai que você deixa para fazer tudo em cima da hora e quando chegar no dia da apresentação algo dá errado, como, por exemplo, um vazamento? Para cobri-lo temos que utilizar o Durepoxi, mas este só seca depois de, no mínimo, 2 horas. Então é inviável.

* Para fazer o Durepoxi, é necessário cortar a mesma quantidade tanto do tubinho branco, quanto do tubinho cinza escuro. Depois vai misturando um ao outro com a ajuda de um pouco de água, mas não exagere! Misture até a ficar uma mistura homogênea de cor cinza claro. Então aplique moldando a forma que quer; Fazê-lo, para nós, foi a parte mais divertida do trabalho. Nos sujamos, fizemos bagunça, brincamos. E tudo isso, aprendendo, então foi muito legal e proveitoso.

 

 

Testagem:
Enchemos a lata com água (em temperatura ambiente) de modo que cobrisse os dois furos, para que assim os tubos conseguissem puxar a água e transportá-la para a bandeja. Segundos depois a bandeja já estava preenchida, então a pusemos em direção à luz do sol. Depois de aproximadamente 1 hora voltamos ao local onde o aquecedor estava e pusemos o dedo na água contida na lata. Estava quente, logo, funcionando. E ainda melhor, sem nenhum tipo de vazamento.

 

 

No dia da apresentação:

Ao chegarmos fomos direto para o pátio principal onde todos os componentes de outros grupos já estavam montando seus aquecedores. Fizemos o mesmo. Contamos com a ajuda de outro amigo nosso para pegar 3 tijolos: um para a inclinação da bandeja e outros dois para a altura da lata em relação a bandeja, devido que os dois objetos tinham que ficar bem posicionados tanto para a recepção de luz, quanto para que a água circulasse pelos tubos corretamente (para que houvesse correntes de convecção). Percebemos, então, que havia um vazamento em um dos tubos e, por sorte, como chegamos cedo deu tempo de preparar uma pequena quantidade de Durepoxi e cobrir o espaçamento que faltava.
Com tudo pronto, chamamos o professor e ele foi medir a temperatura inicial da água, esta que estava cerca de 26ºC. Após aproximadamente 1 hora o professor foi fazer outra medição, e desta vez deu 38ºC. Por fim, fizemos a última medição após, mais ou menos, 40min da segunda. Desta vez deu 40,5ºC.

 

 

Taxa de irradiação:

 

Quantidade de calorias que certa área recebe em certo tempo (cal/m²s).

Cálculo ->     Massa da água x Área da bandeja x Variação de temperatura                                                                                                                                     Variação de tempo

No nosso caso:
Massa da água = 2kg
Área da bandeja = 30cm x 20cm = 600cm²
Variação de temperatura = de 26ºC para 40,5ºC = 14,5ºC
Variação de tempo = aproximadamente 2 horas = 120min = 7200s

Ou seja:
2,5 x 600 x 14,5       =         217500
   = 3,020833333..                                                                  7200

= proximadamente 3 cal/cm²s

 

Resposta: Aproximadamente 3cal/cm²s.

 

 

Itens facultativos:

 

3.1) Estimar o consumo de água quente mensal numa família de 4 pessoas.
Uma casa de 4 pessoas onde cada uma toma 2 banhos de 5min por dia.

1min de banho = em média, 9L
5min de banho = 9 x 5 = 45L
2 banhos = 45L x 2 = 90L
30 dias (mês) = 90 x 30 = 2.700L

 

Resposta: 2.700L de água em um mês (de 30 dias).

 

 

3.2) Estimar a economia, em reais, que se faz ao trocar o aquecimento de água por energia elétrica pela energia solar.
Vamos considerar um chuveiro elétrico com potência de 5.400W e uma família de 4 membros, onde cada um toma 1 banho de 5min por dia. E um mês de 31 dias.

Energia consumida = Potência do chuveiro x Tempo de utilização
Tempo de utilização -> 5min x 4 pessoas x 30 dias = 600min = 10hrs
Energia consumida = 5.400W x 10hrs = 54000kWh

De acordo com dados da Internet (http://www.ipaq.org.br/vb/showthread.php?49148-Quanto-custa-o-KW-no-seu-Estado), 1kWh no Estado do Rio de Janeiro equivale a R$ 0,37728.
Logo:
54kWh = 0,37728 x 54 = 20,37312

 

Resposta: A economia quando é utilizado o aquecedor solar no lugar do aquecedor elétrico de 5.400W em 1 mês é de R$ 20,37312.

 

 

Este obra está licenciado com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

1 – Cabeçalho

Colégio Pedro II – Campus Centro

Primeira série do Ensino Médio

Turma 2018

Grupo:

Daniel José de Araújo Pereira – nº 04

Igor Monteiro Pereira – nº 10

Gabriel Cravo – nº 08

João Pedro Nunes – nº 13

Marcelo Monte– nº 23

 

2 – Montagem

Material :

– Mangueira plástica fina (aproximadamente 1 metro)

– Durepoxi

– Bandeja metálica retangular

– Tinta preto fosco

– 4 “tubinhos” de metal com 3cm cada (antena de TV)

– Uma lata metálica vazia

– Vidro feito sob medida de acordo com a sua bandeja

1º passo: Use uma furadeira para fazer os dois buracos necessários na bandeja metálica, perto das extremidades da bandeja. Faça dois furos na lata também, um perto do fundo e outro um pouco acima da metade.

2º passo: Após, lixe ou passe álcool no fundo da bandeja e depois a pinte com tinta preto fosco e aguarde que seque (o processo não será rápido, então é recomendado que fique no sol).Agora passe uma segunda mão de tinta preto fosco no fundo da bandeja.

3º passo: Medir a distância entre o reservatório o coletor, e corte a mangueira, de modo que a parte que sai de cima da lata se ligue ao furo mais próximo da bandeja e o furo da parte de baixo se ligue com o furo que fica mais distante da bandeja (a mangueira que sai da parte de baixo precisa ser maior).

4º passo: Com o durepoxi, cole os tubinhos de metal  (pedaço da antena de TV) e a mangueira tanto aos dois furos da lata (por dentro e por fora) quanto aos dois da bandeja (também por dentro e por fora). Molde bem o durepoxi para que fique mais firme.

5º passo: Colar o vidro ao coletor com o durepoxi, tanto pela parte que de cima do vidro quanto a de baixo, para maior fixação e para excluir possibilidade de vazamento. Fixe o vidro o mais próximo possível do fundo da bandeja, pois assim aquecerá mais rápido. Se achar melhor, use espaçadores para unir o vidro e a bandeja (nosso grupo não usou).

6º passo: Arranje um suporte para o reservatório, pois esse precisa estar a uma altura acima do coletor. O coletor também precisa estar a um certo grau de inclinação para poder reter melhor os raios solares, preferencialmente 23º. No caso desse grupo, fizemos o suporte para o reservatório e para o coletor de papelão, então não é necessário se preocupar tanto com outros materiais e acabar aumentando o gasto.

Observe como deve estar o seu trabalho:

 

Encha com água de modo que tanto o reservatório, a mangueira e o coletor estejam cheios e exponha-o ao sol (preferencialmente ao sol, como outra alternativa, pode ser usado uma lâmpada) para fazer o teste.

É recomendado que na primeira vez que você encher de água, observe se há alguma bolha de ar, pois poderá causar problemas futuros (não acontecerá troca de calor por convecção). Observe e anote a temperatura inicial da água, aguarde aproximadamente uma hora, e veja se houve ou não o aumento de temperatura (para uma hora o aumento é entre 8ºC e 10ºC).

Ps: No caso nosso grupo, usamos uma lâmpada para fazer o teste e ver se a água estava aquecendo. Logo, se estiver de noite, você pode fazer dessa maneira também.

7º passo: Isolar o reservatório de alguma maneira (jornal, borracha, isopor) para que não haja transferência de energia térmica enquanto o processo ocorre.

3 – Cálculo da taxa de irradiação

O cálculo da taxa de irradiação é dado por:

Calor/área.tempo = Massa x Calor Específico x Variação de Temperatura/ Área da bandeja (apenas do fundo) em cm² x Tempo necessário em segundos

No trabalho do grupo, obteremos:

Massa = 2000ml = 2000g

Tempo: 40min = 2400s

Calor específico: 1cal/g

Variação de temperatura = 40ºC (T final) – 31ºC (T inicial) = 9ºC

Área da bandeja: 29,5cmx19,8cm = 584,1cm²

 

Fazendo o cálculo, obteremos:

Taxa de irradiação = 2000x1x9/2400×584,1 = 18.000/1.401.840 = aproximadamente 0,1284027cal/cm².s

 

4 – Item facultativo

a)      Consumo Mensal de água quente em uma família de 4 pessoas (chuveiro)

 

Após pesquisarmos, achamos os seguintes dados:

 

1 banho = 45L por pessoa (banho de 10 minutos)

 

Logo, a cada 1 min, o chuveiro tem capacidade de 4,5L

 

Levando que cada pessoa toma pelo menos um banho quente por dia e uma família com 4 pessoas, temos:

 

4,5x10x4 = 180L por dia

 

180×30 = 5.400L mensais

 

Ps: O grupo achou necessário expor apenas o consumo mensal de banho de água quente, pois, normalmente não se usa água quente para lavar louça, ou lavar as mãos, a casa e coisas do tipo.

 

b)      Economia gerada pelo aquecedor

 

Para esse cálculo, usamos como base o chuveiro elétrico Lorenzetti Ducha Relax, que possui potência de 6500W = 6,5kWh

 

Tempo que o chuveiro fica ligado: 10x4x30= 1200min = 20h

 

20 x 6,500 = 130kWh por mês

 

Preço do kWh ainda vigente na empresa Light: R$0,32874

 

Logo, teremos: 130 x 0,32874 = 42,72362

 

Então, temos que a economia de uma família ao trocar o aquecedor para o solar é de aproximadamente R$47,70 mensais. 

Roteiro de Replicação do Aquecedor Solar de BP está licenciado com uma Licença Creative Commons – Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

 

 

 

Roteiro de Replicação do Aquecedor Solar Colégio Pedro II – Campus Centro 1° ano de Ensino Médio           Turma: 2108               Professor: Sergio Lima Alunos: Enrico Almado              n°: 05              Rafael Kanazawa                   n°: 28 Henrique Silva              n°: 09              Valbei Junior                          n°: 31 João Pedro L.                n°: 11

Materias:

1. Uma bandeja metálica retangular

2. Uma placa de vidro, de dois mm de espessura, do mesmo tamanho da bandeija.

3. Uma lata de metal (usamos uma lata de leite Ninho)

4. Duas mangueiras de mais ou menos 70 cm de comprimento.

5. Tinta fosca preta

6. Durepox

7. Cola de silicone

8. Quatro tubinhos de acrílico de mais ou menos 3 cm (o corpo das canetas esferográficas)

Como Fazer:

1°passo: Pinte o fundo da bandeja com duas demãos da tinta fosca preta (isso ajuda na absorção do calor).

2°passo: Com uma furadeira faça dois furos na bandeja, um na parte superior de bandeja e outro no lado da bandeja na parte inferior. E dois furos lata de metal, um na parte superior perto da boca da lata e o outro na parte inferior a mais ou menos 5 cm do fundo da lata.

3°passo: Coloque os tubos nos furos. Coloque os tubos pela metade em seguida utilize durepox para segurar os tubos nos furos.

4°passo: Coloque a placa de vidro na bandeja a 2 cm da superfície da bandeja, utilize durepox para fixar o vidro.(No nosso caso a bandeja já tinha 2cm de altura, mas caso isso não seja possível utilize espaçadores).

5°passo: Ligue através das mangueiras a bandeja à lata. Ligando o tubo da parte superior da bandeja ao tubo da parte superior da lata, faça o mesmo com os tubos da parte inferior. Para fixar a mangueira, passe a cola de silicone na parte exposta do tubo, cobrindo toda a área de contato, em seguida bote a mangueira no tubo e após a cola secar ponha durepox para terminar de fixar a mangueira no tubo, repita o processo nos outros tubos. A cola serve para vedar a área entre o tubo e a mangueira.

6°passo: Coloque em volta da lata algum isolante térmico como jornal.

7°passo: Testar o projeto. Esta é o passo mais importante, pois é nesse passo que se observa as possíveis falhas. (No nosso caso durante este passo o projeto não demonstrou nenhuma falha, infelizmente o projeto só apresentou defeito no dia da apresentação, por isso é estritamente importante que se teste diversas vezes antes da apresentação) OBS: Posicione a lata utilizando um suporte que esteja acima da bandeja, para que o sistema flua mais rápido.( No nosso caso utilizamos dois tijolos como suporte)

Calculo:

-Taxa de Irradiação:

Área da bandeja: 17 x 25 = 425 cm² ( área da superfície pintada)

Tempo: 1 hora = 60 min. = 3600 segundos Massa: 1.250 gramas

Calor especifico da água: 1,0 cal/g

Variação de temperatura: 24°C (temperatura inicial) – 37°C(temperatura final) = 13°C Irradiação + calor/área . tempo Calor: 1.250 x 1 x 13 = 16.250 cal

Área . Tempo = 425 x 3600 = 1.530.000

Irradiação = 16.250/1.530.000 = aproximadamente 0,0107 cal/cm²

Item facultativo:

1. Consumo mensal de água quente em uma família de 4 pessoais, utilizando o chuveiro: 1 banho = 45L por pessoa Então em um mês esta mesma família consome 5.400L, com um consumo diário de 180L.

2. Se esta mesma família trocasse o aquecimento por energia elétrica para energia solar, quanto esta economizaria? Este calculo tem base em um chuveiro elétrico Lorenzetti Ducha Relax com potencia de 6.500 Watts(6,5kW). Logo para calcular o consumo de energia elétrico deste aparelho basta ver a potencia e o tempo de duração usado.

Desta forma o calculo fica:      6,5 x 10(tempo de uso) x 4(pessoais) x 30(dias do mês) = 6,5 x 1.200 min. => 6,5 x 20h = 130 kWh.

Segundo o site da Light o preço do kWh esta R$0,32874, na faixa de consumo entre 51kWh e 300kWh.

Desta forma se a família consumir 130 kWh, a conta será de R$42,72362. Então se a família trocar o aquecedor elétrico por um aquecedor solar esta família iria economizar, aproximadamente R$47,70 a cada mês.