Considere um coletor solar concentrador com área de abertura A = 5,0 m² que recebe irradiância média G = 800…
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
Considere um coletor solar concentrador com área de abertura A = 5,0 m² que recebe irradiância média G = 800 W·m?² durante 6 h por dia. O receptor opera a Th = 800 K e o ambiente está a Tc = 300 K. (a) Calcule a eficiência máxima de Carnot ?C = 1 - Tc/Th. (b) Supondo perdas óticas e de receptor que deixam 49% da energia incidente disponível, calcule a energia térmica entregue ao receptor por dia (em kWh) e por ano (kWh/ano). (c) Calcule a energia elétrica máxima teoricamente convertível por dia aplicando ?C à energia captada. Apresente todas as equações e justificativas físicas.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
a) ?C = 1 - Tc/Th = 1 - 300/800 = 1 - 0,375 = 0,625 (62,5%). b) Energia incidente por dia = G·A·t = 800 W·m?²·5,0 m²·6 h = 24.000 Wh = 24,0 kWh. Com eficiência ótica·receptor = 0,49, energia térmica disponível por dia = 24,0·0,49 = 11,76 kWh. Por ano: 11,76 kWh·365 = 4.292,4 kWh/ano. c) Energia elétrica máxima diária teoricamente convertível = ?C·(energia térmica disponível) = 0,625·11,76 kWh = 7,35 kWh por dia. Potência média elétrica durante as 6 h = 7,35 kWh / 6 h = 1,225 kW. Justificativa física: ?C é limite termodinâmico ideal; a energia útil convertível não pode exceder ?C vezes a energia térmica coletada; perdas óticas reduzem a energia capturada antes da conversão. Todas as contas usam unidades SI (1 kWh = 3,6×106 J).
Explicação
A eficiência de Carnot é calculada com base nas temperaturas do sistema, refletindo o limite teórico de conversão de energia térmica em trabalho. A energia térmica disponível é obtida multiplicando a energia incidente pela eficiência ótica e do receptor, enquanto a energia elétrica máxima é determinada aplicando a eficiência de Carnot à energia térmica disponível. Esses cálculos seguem princípios termodinâmicos e garantem que as unidades estejam consistentes para a conversão correta.
Raio-X da questão
eficiência de Carnot, energia térmica
avaliacao
eficiência de Carnot · energia térmica
Revisar as fórmulas de eficiência térmica e conversão de energia.
O aluno pode confundir a eficiência máxima com a eficiência real, não considerando as perdas no sistema.
ciencia_tecnologia
pensamento_critico
cientifico
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