Objetivos, conceitos físicos e modelagem do projeto

O projeto tem como objetivo geral nos fazer entender melhor os princípios da termodinâmica, calorimetria e termometria. Especificamente nós almejamos projetar e construir um aquecedor solar para aquecer água através da radiação solar.

Conceitos físicos

Para esse projeto, o grupo precisou da teoria que engloba a disciplina Física B e, portanto se aprofundou nos conceitos de Termometria, Calorimetria, Leis da Termodinâmica, convecção, condução e irradiação, densidade de fluidos, dinâmica de fluidos, etc. Em seguida, foi feito um breve resumo desenvolvido abaixo:

Termometria: É a parte da termologia que estuda a temperatura e as formas pelas quais a mesma pode ser medida. Um dos conceitos principais da termometria é a temperatura. Temperatura é a grandeza física que é associada ao grau de agitação molecular de um sistema. O grau de agitação molecular não pode ser medido diretamente, sendo assim é utilizada a medição de outras grandezas físicas que variam com ela, como a pressão, volume, etc. Existem três tipos de escalas de temperatura(Celsius, Kelvin e Fahrenheit), que podem fazer conversões entre si, de modo que:

C/5 = (F-32)/9 = (K-273)/5

Calorimetria: É a parte da física que estuda os fenômenos relacionado a troca de energias térmicas. A troca de energia interna é chamada de calor, e ocorre devido a diferença de temperatura entre os corpos envolvidos no sistema. A equação fundamental da calorimetria é dada por 

Q= m. c. 𝚫t

Q: quantidade de calor sensível (J ou cal)

m: massa do corpo (kg ou g)

c: calor específico (J/kg.ºC ou cal/g.ºC)

Δt: variação de temperatura (ºC), ou seja, a temperatura final menos a temperatura inicial

Densidade dos fluidos: É a grandeza física responsável pela concentração da massa de uma substância em determinado volume. É definida matematicamente como a razão entre a massa e o volume.

D = m/v

D = densidade da substância 

m = massa do corpo

v = volume do corpo

A unidade de medida do Sistema Internacional é kg/m³

Dinâmica dos fluidos: É o ramo da física que estuda o movimento dos líquidos e gases. A movimentação dos líquidos e gases, geralmente, é dita como fluxo, um conceito que descreve como se comportam os fluídos em questão e como eles interagem com o ambiente do sistema.

Termodinâmica: Em nosso projeto, serão usadas as duas leis da termodinâmica, pois esse ramo da física  estuda a mudança de temperatura, pressão e volume em sistemas macroscópicos e, por consequência, será fundamental para o entendimento físico de como o fluído se deslocará pelos canos devido às mudanças de sua temperatura e densidade.

A lei zero da termodinâmica tem esse nome porque serve com fundação para as outras. Essa lei trata da ideia de equilíbrio termodinâmico, um estado que todo sistema isolado atinge após certo tempo e no qual temperatura, pressão e volume das fases envolvidas são constantes. Essa lei é comumente explicada através do seguinte exemplo:

Sendo A e B dois sistemas isolados que se mantêm em equilíbrio quando entram em contato com C, A e B estão, necessariamente, em equilíbrio termodinâmico entre si.

A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída. Ela pode somente ser modificada ou transferida de um objeto a outro.

A fórmula que a define é dada por:

Q = Ƭ + ΔU

Ƭ = trabalho

ΔU = variação de energia interna

Q = quantidade de calor

A segunda lei da termodinâmica afirma que não é possível que o calor se converta integralmente em outra forma de energia.

Além disso, serão necessários conhecimentos dos conceitos de convecção, condução e irradiação.

A convecção é o fenômeno no qual o calor se propaga por meio do movimento de fluídos, e ocorre por uma diferença de suas densidades. Um exemplo desse fenômeno são as brisas marítimas e terrestres, que ocorrem por conta do aquecimento e resfriamento da areia em relação à água do mar, alterando a densidade do ar sobre eles e criando seus deslocamentos.

Figura 1. Brisas marítimas e terrestres

Fonte : Coc educação

A condução térmica é o fenômeno em que o calor é transmitido por contato direto com um corpo, ou um condutor. Por exemplo, se um fogão é ligado e uma panela com água é colocada acima do fogo, o metal da panela transmitirá esse calor para a água.

Por fim, na irradiação, a energia térmica é transmitida sem a necessidade de um meio material, pois se propagam por ondas eletromagnéticas. Um exemplo muito conhecido é o microondas, que fornece ondas da mesma frequência da água para aquecer os alimentos.

Figura 2: Esquema de condução, convecção e irradiação

Fonte: 3tc Isolamento

Modelagem tridimensional do protótipo

Figura 3. Modelagem 3D do Aquecedor Solar
Fonte: Própria

Figura 4. Desenho técnico
Fonte: Própria

Figura 5. Desenho técnico
Fonte: Própria

Figura 6. Desenho técnico
Fonte: Própria

Figura 7. Desenho técnico
Fonte: Própria

Figura 8. Desenho técnico
Fonte: Própria

Referências

"Condução Térmica, Convecção Térmica e Irradiação Térmica" em Só Física. Virtuous Tecnologia da Informação, 2008-2019. Consultado em 05/04/2019 às 19:03. Disponível na Internet em: <http://www.sofisica.com.br/conteudos/Termologia/Calorimetria/transm2.php>

Leis da Termodinâmica. Khan Academy, [S. l.], 2016. Disponível em: <https://pt.khanacademy.org/science/biology/energy-and-enzymes/the-laws-of-thermodynamics/a/the-laws-of-thermodynamics>. Acesso em: 5, abr, 2019.

HALLIDAY, David ; RESNICK, Robert; KRANE, Kenneth. Física 2. Rio de Janeiro: LTC, 2003.

Fluidos, Brasil Escola. Disponível em: <https://brasilescola.uol.com.br/fisica/fluidos.htm>. Acesso em: 5, abr, 2019.

Termometria, Info Escola. Disponível em: <https://www.infoescola.com/fisica/termometria/>. https://www.infoescola.com/fisica/termometria/>.Acesso em: 5, abr, 2019.

O que é a dinâmica dos fluidos?, Ciência Online. Disponível em: <http://www.ciencia-online.net/2014/09/o-que-e-dinamica-dos-fluidos.html>. Acesso em: 5, abr, 2019

Postagem feita por Caio Ramon Sousa, João Rocha, João Vitor Maciel e Rogerio Lima dos Santos Júnior.