Aprendendo Física em Rede

Colégio Pedro II – Campus Centro

Professor: Sérgio Lima           Disciplina: Física                         Ano:2014

Alunos: Bruno Gentil Nascimento da Silva   nº.:07                 Turma: 2106

Danielle Muniz de Souza                    nº.:09

Felipe Baia de Castro                           nº.:10

Gabriel Lemos                                       nº.:12

João Izel Enes Baganha                      nº.:13

Júlia Heinrichs Pimentel                    nº.:14

Roteiro sobre o Forno Solar

Materiais necessários:

• 2 caixas de papelão (uma maior que a outra)
• 2 placas de isopor (1cm)
• papel alumínio
• vidro (ou pvc)
• jornal
• tesoura
• cola comum e de isopor
• fita crepe
• tinta preta
• barbante

Etapas para a construção do Forno Solar

1 – Retirar as tampas das caixas (ou um lado inteiro da caixa, o que preferir)

2 – Pegar a caixa de maior proporção (a nossa maior caixa teve 55cm de comprimento, 30cm largura e 35cm de espessura) e revestir internamente os lados da caixa com o isopor.

3 – Colar o papel alumínio de forma que cubra o isopor.

4 – Pintar a caixa menor toda de preto.

5 – Amassar as folhas de jornal em bolinhas e colocar no fundo, para servir de base para caixa menor e como um isolante térmico.

6 – Usar  o vidro como tampa para a caixa. A função do vidro é para gerar o efeito estufa.

7 – Colocar tiras de papelão na borda da caixa maior para prender e assegurar que o espelho fique bem fixo.

8 – Pegar a tampa da caixa maior (a que foi recortada) e usar como refletor, colando papel alumínio apenas na parte que ficará direcionada ao sol (deixe uma parte sem papel alumínio para que possa ser colada na caixa). O ângulo de inclinação precisa ser maior que 80º (deixamos a nossa aba em 90º).

9 – Colar com fita crepe essa tampa na caixa (dobre a fita para que ela fique dupla-face)

10 – Fazer 4 furos: 1 furo em cada uma das tiras que estão segurando o espelho e 2 furos na mesma direção dos outros, no refletor.

11 – Passar barbante nos furos e amarrar para sustentar a aba refletora.

12 – Para esquentar algo, basta puxar o vidro e colocar na caixa menor.

SEU FORNO ESTA PRONTO!

Testagem

Antes da data de entrega do trabalho, testamos o forno três vezes, duas delas com água e a última com um pão com queijo, ambas bem sucedidas. Testamos todas pela manhã e com bastante sol.

Dia da avaliação

Como antes visto nos testes, o forno solar funcionou. No dia da avaliação, o forno aqueceu a água até 60ºC, em torno de 1 hora (60 minutos).

Dica: uma boa sugestão, seria usar um panela de alumínio para aquecer a substância, pois o alumínio é um ótimo condutor de calor.

Física do Trabalho

A caixa maior é importante para isolar termicamente a caixa menor. Esse espaço, referente a diferença de tamanho das caixas, serve para ser isolado fazendo com o que a caixa menor não perca calor para maior. O revestimento interno da caixa maior com papel alumínio é para fazer com que os raios que não chegaram na caixa menor,sejam refletidos para ela.

A radiação solar atinge diretamente e indiretamente a caixa. Diretamente: pois os raios que chegam já adentram a caixa. Indiretamente: raios que atingem a aba refletora e são refletidos para dentro da caixa.

A menor caixa, pintada de preto, serve para maior absorção de calor. Por isso o recipiente deve estar lá.

O vidro tem a função fundamental de “aprisionar” o calor, proveniente dos raios solares, na caixa.Tal função é conhecida como efeito estufa.

Projeto de aprendizagem #2 – Roteiro de replicação do forno solar está licenciado com uma Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional.

Colégio Pedro II U.E.: Centro                          Ano: 2014

Grupo:                                                      Turma: 2102

Guilherme Faria Faraújos e Silva               nº:14

João Gabriel Kiss Ferreira                            nº:17

Lucas Oliveira de Macedo                           nº:24

Pedro Silveira Malaquias                             nº:30

Roteiro de Replicação do Forno Solar

Introdução:

O projeto do forno solar é um projeto fácil de fazer e barato, que auxilia no entendimento prático do estudo da física e que pode ser útil e é ecológico. Mas o mais interessante é notar como a energia solar que é tão abundante pode ser aproveitada para usos diários.

Materiais:

• Duas caixas de papelão, uma maior e outra menor, com uma diferença entre elas pelo menos de 5 cm na largura e na profundidade. A altura das duas caixas deverá ter uma diferença de pelo menos 2,5 cm. Essa diferença na altura, largura e profundidade criará um espaço que será utilizado para isolar o sistema termicamente. O grupo utilizou aqui uma caixa de 40cm de largura X 20cm de altura X 36cm de profundidade como a caixa maior e uma caixa de sapato de 30cm de largura X 15cm de altura X 26cm de profundidade como a caixa menor.
• Uma folha de papelão para fazer a tampa caso a caixa maior não venha com tampa ou com uma das bases como a que foi utilizada pelo grupo. De preferencia uma de tamanho um pouco maior que a base da caixa maior. O grupo aqui utilizou a tampa de uma caixa da Intel que já vinha com uma alça.
• Um rolo de papel alumínio.
• Tinta Preta, de preferencia uma que não saia tão facilmente com água. No caso o grupo utilizou tinta para tecido. E pincel.
• Cola branca, cola quente, grampeador e fita isolante.
• Parafusos e porcas; pregos ou alfinetes.
• Chave de fenda.
• Isopor, de preferencia em bolinhas que se vende em sachês. Ou em placas que podem ser descascadas.
• Plástico PVC.
• Duas folhas de papelão do tamanho da base da caixa maior.
• Papelão
• Régua, caneta e estilete.

Como Fazer:

Cubra a caixa menor e a maior de alumínio por dentro, não precisa cobrir a face inferior da caixa menor, pois será pintada de preto. Mas pintar por cima do alumínio também não tem problema, já que a tinta tem uma ótima aderência. Uma boa dica para cobrir as caixas é moldar o alumínio no formato das caixas, dobrando e encaixando na estrutura das caixas e depois grampear as bordas. Mas se achar necessário pode colar o alumínio com cola branca nas faces das caixas para garantir fixação. O grupo não achou necessário. Depois de cobrir as duas caixas por dentro com alumínio, pinte a face inferior da caixa menor por dentro de preto.

Separe uma boa quantidade de alumínio para posteriormente fazermos o refletor. Agora retire o alumínio que sobrar e pegue o rolo de papelão que sobrar. Com ele vamos recortar 4 pedaços cilíndricos com o tamanho da diferença entre alturas das 2 caixas( por isso é importante que a diferença entre alturas não seja muito grande, já que o rolo só tem uns 28 cm). Agora, com a cola quente, cole os pequenos cilindros na base da caixa menor pelo lado de fora perto dos vértices, e depois cole a estrutura formada, com a cola quente, na base interior da caixa maior, o mais centralizado possível. Com isso as duas caixas ficaram no mesmo nível.

Agora preencha o espaço entre as caixas com o isopor em bolinhas. O isopor nessa forma consegue preencher melhor a diferença entre as caixas, isolando o sistema termicamente, o que foi notado pelo grupo. Se o isopor estivesse em placa apenas, precisariade muito mais isopor e precisaria ser colocado sob medida. Em bolinhas economiza-se mais porém, se precisar ainda ser descascado gastará mais tempo do que com ele em placas, mas com a ajuda do grupo foi até bem rápido.

Depois disso pegue uma folha de papelão sobressalente do tamanho da base da caixa maior e delineie o mais centralizado possível, com a ajuda de uma régua, as dimensões da base da caixa menor. Depois recorte ,com o auxílio do estilete e da régua, o retângulo desenhado. O que sobrar será uma espécie de tampa, para lacrar o espaço com o isopor e evitar que o isopor escape e mantendo o isolamento térmico.

Agora vamos fazer a tampa com o PVC: pegue a última folha de papelão sobressalente do tamanho da base da caixa maior e faça a mesma coisa que com a outra. Depois de ter o molde da diferença entre as dimensões das bases, fixe o PVC passando ele pela abertura do tamanho da base da caixa menor. Fixe-o com o durex. Agora com pedaços de papelão de mesma largura, una-os com durex até atingirem o comprimento do perímetro da tampa. Com isso dobre essa grande tira de papelão formando um retângulo com a dimensão da tampa e prenda o inicio e o fim da tira com durex. Agora fixe esse retângulo na tampa com cola quente e durex e teremos uma borda para ser encaixada na caixa de fora. Todo esse trabalho pode ser poupado se ao invés de uma folha de papelão do tamanho da base da caixa de fora, fosse utilizado outra caixa com largura e profundidade iguais e recortado nela um retângulo centralizado de dimensões iguais à base da caixa menor. E depois dividido horizontalmente a caixa em duas e posto o pvc. Mas por falta de disponibilidade de uma caixa com essas características, o grupo utilizou esse meio mais criativo de fazer a tampa com uma borda que encaixasse.

Agora só falta o refletor: nele temos duas etapas, a construção e a fixação no sistema. Para construi-lo basta pegar a folha de papelão de dimensões um pouco maiores que a base da caixa maior ( no caso do grupo, a tampa da caixa da Intel) e  cobrir uma das faces de alumínio e fixa-lo com grampeador e/ou cola branca. Por último, faça uma tira larga e longa de papelão resistente (pelo menos 8cm de largura e de comprimento uns 20 cm maior que o comprimento do refletor). Centralize a tira na parte inferior da face de trás do refletor ( sem alumínio) de forma que sobrem 10 cm para cada lado e cole com a cola quente e reforce com fita isolante. Agora dobre a sobra formando uma aba de cada lado.

Para fixar o refletor no sistema, coloque uma porca na superfície aderente de uma tira de fita isolante e fixe-a 3 cm ou 4cm do vértice superior de fora da caixa maior do lado que desejar encaixar o refletor, e faça a mesma coisa do outro lado de forma que possa se traçar uma linha imaginária reta e paralela ao lado maior da caixa (o lado da largura)  que una essas 2 porcas. Agora faça um pequeno furo nas tiras de fitas isolantes bem no centro das porcas, furando também a caixa atrás da porca, com um prego ou alfinete e com a caneta vá aumentando um pouco o tamanho dos furos ( só da fita isolante, a caixa atrás só precisa aumentar um pouquinho o buraco girando o alfinete) de forma que um parafuso consiga entrar com seus movimentos espiralados. Agora faça a mesma coisa com  os centros das abas do refletor: fure e aumente só o suficiente para que o parafuso entre com um pouco de dificuldade. Se, em ambos os casos, o furo for muito grande o parafuso pode ficar frouxo, nas partes que entram em contato com o papelão. Agora, uma de cada vez, fixe as abas no sistema colocando um parafuso comprido (em cada aba) passando pela aba primeiro, depois pela porca e por último entrando na caixa de fora através dos furos. Faça isso com cuidado girando o parafuso com o auxílio da chave de fenda e apertando bem. No final terá um refletor muito bem preso.

Depois disso recorte um pequeno retângulo na borda da tampa aonde passaria o parafuso  para que, na hora de colocar e consequentemente retirar a tampa, o parafuso não atrapalhe.

Porém o refletor ainda apresenta uma dificuldade de ficar em uma determinada posição (caso se queira alterar a posição do refletor). Para resolver esse problema coloca-se um parafuso (não tem necessidade da porca por que a qualidade da fixação aqui não é tão importante) em cada lado da caixa de fora, nas mesmas faces que as abas estão fixadas, mas no lado oposto. Coloque o parafuso um pouco abaixo do término da borda da tampa. Depois, com a fita isolante ou até mesmo outro parafuso (mas no caso com um comprimento mínimo de preferência) fixa-se um barbante na região superior de cada lado do refletor e prende cada barbante nos parafusos correspondentes, ou seja, do mesmo lado da caixa, com um nó duplo. Faça isso com o refletor estando com o maior angulo possível, de preferencia com uns 135º. Como isso o barbante vai estar no máximo de seu tamanho com esse ângulo. Assim, sempre que se quiser mudar o refletor de posição basta enrrolar o barbante em volta do parafuso ou desenrrolar, com isso altera-se a distancia entre as duas extremidades do barbante e acaba alterando a posição do refletor. O angulo vai aumentar proporcionalmente ao tamanho da parte do barbante que estiver esticado. No nosso sistema o parafuso e as porcas conseguiram segurar bem o refletor na posição desejada quando este se encontrava com um angulo agudo ou reto em relação à tampa, mas quando ele formava um angulo obtuso com a tampa o parafuso não conseguia segurar na posição e foi necessário o barbante.

Por último pinte o trabalho por fora se julgar necessário. O acabamento não interfere no funcionamento do forno, mas é sempre bom demonstrar certo capricho com as coisas que fazemos. Como recipiente pode-se utilizar uma panelinha de metal preta ou qualquer recipiente de metal enegrecido, pois essas duas características contribuem para uma maior eficiência. Quanto mais larga melhor já que, por isso, o recipiente adquire uma grande área de recepção de luz solar. O grupo utilizou uma tampa de panela preta de alumínio que estava sem a parte de cima (de puxar), formando um recipiente largo, circular e semiplano que serviu muito bem para aquecer uma boa quantidade de água.

Dados coletados:

O nosso forno solar começou a aquecer o sistema às 11 horas e a temperatura final foi medida às 14 horas. No começo a água foi medida a 25°C e sua temperatura final após 3 horas foi 61,5°C. Com isso temos uma média de aproximadamente 0,20 °C por minuto. O gráfico cartesiano abaixo reproduz a estimativa de aquecimento em °C por minuto:

O ponto A representa a temperatura final atingida: 61,5°C. O ponto B representa a temperatura inicial: 25°C.

O ponto F representa o resultado obtido após uma hora de aquecimento, que foi calculado como 37,17 °C. O ponto G representa o resultado obtido após duas horas de aquecimento, que foi calculado como 49,33 °C. E o ponto H representa o resultado final: 61,5°C em três horas. Os pontos K e L representam respectivamente a temperatura estimada da água com uma hora de aquecimento e da água com duas horas de aquecimento.

Obs.: O gráfico mostra a temperatura estimada da água em cada minuto após o inicio do aquecimento às 11 horas, com base na média de aquecimento por minuto. É óbvio que no período mais próximo de meio dia a água esquentou mais em menos tempo.

Dicas observadas para melhorar a eficiência:

O grupo notou que algumas coisas poderiam ser acrescentadas no sistema para melhorar a eficiência. São elas:

• Cobrir a panelinha ou o recipiente com o PVC, não só por que aumenta a eficiência, mas também por que conserva a água dentro do recipiente, pois quando a água evaporar, vai condensar no pvc e (com o excesso de gotículas) pingar de novo para dentro do recipiente. O grupo notou que após muito tempo de aquecimento corre o risco de sobrar pouca agua para ser medida. O grupo não teve esse problema, pois o recipiente era bem largo de forma que quando a água condensava no pvc da tampa e pingava, caía( a maioria das gotas) de volta no recipiente.
• Fazer um furo atrás da caixa de fora e passando pela caixa de dentro, de forma que se possa introduzir um termômetro até o recipiente, sem necessitar abrir a caixa. O grupo notou que o efeito estufa que ocorre no sistema é muito importante para o aquecimento do recipiente e do que está contido nele. Quando a tampa do sistema era aberta, o grupo notou que saia uma baforada de ar quente. Chegamos à conclusão que isso ocorria por que o ar quente, superaquecido pelo efeito estufa dentro do forno, ficava consequentemente menos denso que o ar ambiente e, quando a tampa era aberta, esse ar menos denso escapava e subia para a atmosfera e o ar ambiente, mais denso e mais frio, preenchia o espaço deixado pelo ar quente que subiu, comprometendo assim, o aquecimento do sistema e o efeito estufa gerado lá dentro.
• Fazer um refletor para cada lado da caixa aumentaria a quantidade de raios refletidos e, consequentemente, aumentaria a eficiência do forno.

Princípios Físicos envolvidos:

• Condução térmica: É responsável pelo aquecimento da água a partir da troca de calor com o fundo do recipiente. Ocorre também da água e do vapor de água para o ar aquecendo-o.
• Convecção térmica: A parte da água que está em contato com o fundo do recipiente aquece mais rápido do que a que está na superfície e fica menos densa que a da superfície e, portanto, sobe. A água que estava na superfície é mais densa que a que estava no fundo e, portanto, desce. Até se aquecer mais ainda que a agua que estiver atualmente na superfície tornando-se menos densa e subindo novamente, gerando um ciclo de convecção que vai aquecendo a água.
• Irradiação térmica: É a energia térmica que o sol irradia na forma de calor que aquece a superfície da água e, principalmente, o fundo do recipiente, aquecendo todo o sistema
• Propagação de calor: É o processo de transferência de calor entre sistemas com diferentes temperaturas, como o fundo do recipiente e a água, a água do fundo do recipiente e a agua da superfície, a agua (e o vapor de água) e o ar, o sol e o forno. É responsável pelo aquecimento de todo o forno.
• Propagação retilínea da luz: É responsável pelo aquecimento do recipiente e da água nos casos dos raios que incidem diretamente sobre esses dois componentes.

• Reflexão luminosa: É responsável pelo aquecimento do forno nos casos dos raios que incidem sobre a superfície de alumínio do refletor e são refletidos para dentro do forno aquecendo-o.

Conclusões finais:

O projeto mostrou como a energia solar pode ser aproveitada de forma simples. O projeto auxiliou muito o entendimento do grupo quanto a alguns princípios como reflexão luminosa e propagação de calor. Mas uma das coisas que se destacou mais foi aprender, vendo, como o efeito estufa contribui tanto para o aquecimento de um sistema. Trabalhos que interferiam muito no efeito estufa tiveram rendimentos baixos em comparação com trabalhos que simplesmente não abriram o forno em momento algum após o aquecimento e tiveram rendimentos incríveis. A diferença foi notada em até 10°C e surpreendeu o grupo. É claro que outros fatores podem ter contribuído para essa diferença, mas não se pode deixar de lado a importância do efeito estufa no sistema. Foi bom também observar como o ar  quente menos denso, escapou e subiu tão rápido quando a tampa do forno foi aberta depois da medição da temperatura final, de forma que as pessoas ao redor do forno sentiram na cara a baforada de ar quente que foi solta. Foi bom também notar, praticamente, as consequências dos diferentes coeficientes de condutibilidade térmica de diferentes substancias. Pois por mais que a baforada de ar quente estivesse… quente, o metal do recipiente estava intocável, o papelão estava menos quente que a água e o recipiente e a água também estava muito quente. Foi ótimo para compreender esses e outros conceitos e não interferiu na realização de outras atividades pedagógicas já que o trabalho foi concluído com utilização de pouco tempo em comparação a um trabalho dessa magnitude.

Licença de distribuição:

Roteiro De Replicação do Forno Solar de Guilherme Faria Faraújos e Silva,João Gabriel Kiss Ferreira,Lucas Oliveira de Macedo e Pedro Silveira Malaquias está licenciado com uma Licença Creative Commons – Atribuição 4.0 Internacional.
Baseado no trabalho disponível em http://aprendendofisica.net/.