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ENEM 2017 - 2ª aplicação - Questão resolvida #13

(ENEM 2017) O aproveitamento da luz solar como fonte de energia renovável tem aumentado significativamente nos últimos anos. Uma das aplicações é o aquecimento de água ($ \rho_\text{água} = 1 \ \left.\mathrm{kg}\middle/\mathrm{L}\right. $) para uso residencial. Em um local, a intensidade da radiação solar efetivamente captada por um painel solar com área de $1 \ \mathrm{m}^2$ é de $0{,}03 \ \left.\mathrm{kW}\middle/\mathrm{m}^2\right.$. O valor do calor específico da água é igual $4{,}2 \ \left.\mathrm{kJ}\middle/(\mathrm{kg}\,\gr\mathrm{C})\right.$.

Nessa situação, em quanto tempo é possível aquecer $1$ litro de água de $20 \ \gr\mathrm{C}$ até $70 \ \gr\mathrm{C}$?


Dada uma certa quantidade de água, que corresponde a uma massa $m$, podemos calcular o fluxo de calor $Q$ devido a uma variação $\Delta T$ de temperatura. Para tanto, utilizaremos a fórmula da quantidade de calor:

\begin{equation} Q = m c \Delta T \pt \end{equation}

Como sabemos que a massa da água é o produto entre sua densidade $\rho_\text{água}$ e seu volume $V$, podemos reescrever a Equação (1):

\begin{equation} Q = \rho_\text{água} V c \Delta T \vg \end{equation}

e então, calcular a quantidade de calor trocada ao se aquecer $1$ litro de água de $T_\text{i} = 20 \ \gr\mathrm{C}$ até $T_\text{f} = 70 \ \gr\mathrm{C}$:

\begin{equation} \begin{aligned} Q &= \rho_{\text{água}} V c (T_{\text{f}} - T_{\text{i}}) \\ &= 1 \cdot 1 \cdot (4{,}2 \times 10^3) \cdot (70-20) \\ &= 210 \times 10^3 \ \mathrm{J} \pt \end{aligned} \end{equation}

Ainda, se placa possui área $A=1 \ \mathrm{m}^2$, para uma radiação de intensidade $I=0{,}03 \ \left.\mathrm{kW}\middle/\mathrm{m}^2\right.$, a potência correspondente é

\begin{equation} \begin{aligned} P &= A I \\ &= 1 \cdot 0{,}03 \\ &= 0{,}03 \ \mathrm{kW} \\ &= 30 \ \mathrm{W} \pt \end{aligned} \end{equation}

E uma vez que, na troca de calor, a potência é a razão do fluxo de calor $Q$ pelo intervalo de tempo $\Delta t$, temos:

\begin{equation} P = \frac{Q}{\Delta t} \implies \Delta t = \frac{Q}{P} \pt \end{equation}

E assim, finalmente, substituindo o resultado das Equações (3) e (4) na Equação (5),

\begin{equation} \begin{aligned} \Delta t &= \frac{210 \times 10^3}{30} \\ &= 7\,000 \ \mathrm{s} \pt \end{aligned} \end{equation}

Resposta: d.



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