Projete um sistema passivo para manter m_s = 0,800 kg de amostras biológicas a T_target = 4,0 °C por t = 24 h…
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 sistema passivo para manter m_s = 0,800 kg de amostras biológicas a T_target = 4,0 °C por t = 24 h em ambiente T_env = 30,0 °C. Use PCM com T_fusão = 4,0 °C e L = 1,80×10^5 J·kg^-1. Considere perda térmica média Q?_loss = 10,0 W. Descreva massa de PCM, isolamento e cálculos envolvidos.
✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.
Resposta esperada
Cálculo energético: Q_loss = Q?_loss·t = 10,0 W·(24·3600 s)=10·86400=864000 J. Massa mínima de PCM: m_PCM = Q_loss / L = 864000 / 1,80×10^5 ˜ 4,80 kg. Recomenda-se margem de segurança de 20% ? m_PCM ˜ 5,76 kg. Dimensionamento do isolamento (verificação): usar lei de Fourier q = k·A·?T / d; para k=0,03 W·m^-1·K^-1 (EPS), A=0,50 m^2 e ?T=26 K, d = k·A·?T / q = 0,03·0,50·26 / 10 ˜ 0,039 m ˜ 4 cm. Arranjo prático: PCM em módulos metálicos de alta condutividade termal em contato com o compartimento de amostras, inseridos em recipiente com isolamento de EPS ~4 cm e vedação; sensores digitais de temperatura e indicador para troca/recarga do PCM. Fórmulas usadas: Q = m·L (fase), Q?_loss = energia por tempo, q = kA?T/d (condução). Justifique materiais e margem com cálculos acima.
Explicação
O cálculo da energia perdida durante 24 horas permite determinar a quantidade de PCM necessária para manter a temperatura desejada, considerando a capacidade de armazenamento de calor do material. A margem de segurança de 20% é importante para garantir que o sistema funcione adequadamente mesmo em condições adversas. O dimensionamento do isolamento é essencial para minimizar as perdas térmicas, garantindo eficiência no desempenho do sistema.
Raio-X da questão
sistema passivo de controle térmico
avaliacao
transferência de calor · propriedades de materiais
Revisar conceitos de transferência de calor e propriedades de PCM.
O aluno pode confundir a quantidade de calor necessária para manter a temperatura com a quantidade de calor perdida, não considerando corretamente a relação entre eles.
ciencia_tecnologia
pensamento_critico
cientifico
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