Engenharia Ambiental Laboratório de Física II. Irrigador Solar. Pedro Collado Ulisses Rodrigues Lucas Netto Marcelo Sampaio Leme Pedro Ferrari

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1 Engenharia Ambiental Laboratório de Física II Irrigador Solar Pedro Collado Ulisses Rodrigues Lucas Netto Marcelo Sampaio Leme Pedro Ferrari Sorocaba/2016

2 1. Objetivos Construir um regador a luz solar, com materiais baratos e de fácil acesso, a fim de analisar a diferença de pressão e a lei de Pascal nesse sistema.

3 2. Introdução Irrigação por gotejamento A irrigação é uma técnica milenar que se confunde com o desenvolvimento e prosperidade econômica dos povos, pois muitas civilizações antigas se desenvolveram em regiões áridas onde a produção só era possível graças à irrigação. A história demonstra que a irrigação sempre foi um fator de riqueza, prosperidade e, consequentemente, de segurança. Com o avanço das tecnologias de irrigação e a demanda cada vez maior de água pelas atividades humanas, acentuou-se a busca por métodos mais eficientes, que consumam menos recursos e forneçam melhores resultados em produtividade e qualidade. Desta forma, a irrigação por gotejamento tem ganhado espaço, principalmente nos últimos 15 anos. Atualmente, estima-se que o suprimento de água doce disponível seja utilizado na proporção de: 70% na agricultura, 20% na indústria e 10% nas cidades para consumo humano. Observa-se que há muito espaço a ser avançado pela irrigação por gotejamento para que as atividades humanas continuem crescendo e atendendo à demanda de alimentos em quantidade e qualidade sem esgotar os recursos hídricos e o avanço tecnológico e estas necessidades têm popularizando cada vez mais a irrigação por gotejamento. Nessa técnica, a água é aplicada de forma pontual através de gotas diretamente ao solo. Estas gotas, ao infiltrarem, formam um padrão de umedecimento denominado bulbo úmido. Dilatação dos gases Os gases assim como toda a matéria existente sofrem dilatação. Por exemplo, um gás confinado em um recipiente com água, aumentando sua temperatura o gás aumenta significativamente seu volume, fazendo então, ele empurrar a água. O coeficiente de dilatação dos gases é praticamente o mesmo para todos os gases, sendo igual a 1/273 do volume a 0 C. Se tivéssemos como medir a dilatação do ar no exemplo citado anteriormente, veríamos que ela confirma com exatidão a lei da dilatação dos sólidos e líquidos, porém apresentaria apenas uma simples diferença: que, diferentemente dos sólidos e dos líquidos, no caso dos gases, o coeficiente de dilatação volumétrica é igual para qualquer tipo de gás. De acordo com a teoria cinético-molecular, esse fenômeno ocorre pelo fato de não haver interação entre as moléculas de um gás. Já nos sólidos e líquidos, há interação molecular, que é diferente para cada substância. Sendo assim, podemos dizer que o coeficiente de dilatação volumétrica dos gases indica que o volume de um gás, à temperatura inicial 0ºC, diminui 1/273 quando sua temperatura é reduzida em 1ºC. Diminuindo-se a temperatura em 10ºC, o volume diminuiria 10/273. Se a temperatura do gás atingisse 273ºC, isto é, fosse de 0ºC para -273ºC, seu volume diminuiria

4 273/273, teoricamente, seria reduzido à zero. Na prática, porém, os gases passam para o estado líquido antes de atingirem a temperatura -273ºC. Essa temperatura representa a condição teórica de contração máxima possível, na qual a energia cinética das moléculas seria mínima: é o zero absoluto na escala Kelvin e, teoricamente, a menor temperatura que se pode atingir. Princípio de Pascal Uma das propriedades mais interessantes de um líquido e, que acaba resultando em aplicações úteis, é que, quando aumentamos a pressão sobre a sua superfície superior, o aumento da pressão se transmite a todos os pontos do fluido. Este fato é conhecido como Princípio de Pascal. A pressão que se aplica a um fluido se transmite integralmente a todos os seus pontos bem como às paredes do recipiente que o contém. Uma aplicação bastante simples desse princípio é a Prensa Hidráulica. Imaginemos um tubo em U no qual aplicamos uma pressão P, que resulta de uma força aplicada numa área A. Essa pressão se transmitirá integralmente à outra extremidade, a qual exercerá uma força F sobre uma área A. Como a pressão transmitida é a mesma, tem-se: Portanto, a força aplicada na área A' será: Tem-se, portanto, um mecanismo eficaz de aumento da força aplicada. Basta construir dispositivo com área, na outra extremidade, bem maior do que a área original na qual aplicamos a força. Este é o princípio de funcionamento da prensa hidráulica. Ao aplicarmos uma força não muito grande numa das extremidades, podemos levantar um carro na outra extremidade.

5 Vazão Vazão corresponde à taxa de escoamento, ou seja, quantidade de material transportado através de uma tubulação, por unidade de tempo. Com a área a em m² e a velocidade de escoamento v em m/s, vazão é dada em m³/s. Transmissão de calor Em algumas situações não é necessário o contato entre os corpos para que haja transmissão de calor. Nestes casos a energia térmica pode ser transmitida de três diferentes maneiras sendo elas: Condução: A transmissão de calor ocorre através das partículas do meio que separa os corpos. Convecção: É a transferência de calor pela movimentação dos fluidos. Irradiação: É a transmissão de calor que ocorre por meio de ondas eletromagnéticas, não necessitando de um meio material para se propagar.

6 3. Materiais e Métodos Materiais 1 Tubo de aquário (5mm) 1 durepoxi 1 garrafa PET pequena (237 ml) 1 squeeze (garrafinha de agua com bico) 1 faca com ponta Tinta spray preta Métodos 1) Foi feito um pequeno furo na lateral da garrafa pet com a faca de ponta fina. O furo deve ser feito em uma altura mediana, como mostra a figura 1. Para melhorar a eficiência, esquentamos a faca. Figura 1- Garrafa pet furada 2) Depois do furo ser feito, foi posicionado o squeeze em cima da garrafa pet, como mostra a figura 2. Figura 2 Garrafa squeeze sobre a garrafa pet

7 3) Depois de posicionar o squeeze, foi usado durepoxi para vedar entre as duas garrafas, assim não deixando nenhuma passagem de ar, como mostra a figura 3. Figura 3- Garrafas fixadas com durepoxi 4) Foi cortado um pequeno pedaço do tubo de aquário e posicionado no buraco feito anteriormente, como na figura 4. Figura 4- Tubo de aquário posicionado na garrafa pet 5) Depois de posicionar o tubo, foi usado durepoxi para vedar e fixar o tubo, assim garantindo a vedação completa do sistema, como a figura 5.

8 Figura 5- Cano fixado com durepoxi 6) Usando a tinta spray preta, foi pintado o squeeze, para aumentar a velocidade com que o sistema esquenta no sol. Figura 6 Squezee pintado com tinta spray preta

9 4. Resultados Foi medido o diâmetro da garrafa pet usando-se de um paquímetro e foi obtido as seguintes medidas: Tabela 1 Diâmetro da garrafa PET medido com um paquímetro Diâmetro garrafa PET (cm) 4,88 4,84 4,86 Média: 4,86(+/- 0,02) Deste modo, podemos dizer que o raio da garrafa pet é de aproximadamente 2,43 cm, o que será usado posteriormente. Foi medido também a quantidade de gotas que saiam no intervalo de 20 segundos. Tabela 2 Quantidade de gotas que pingavam no intervalo de 20 segundos Quantidade de gotas Tempo (s) Média: 12 gotas (+/-3) Tendo a quantidade de gotas que caíram em 20 segundos, podemos dizer que a cada segundo caia aproximadamente 0,6 gotas, ou seja, 0,6 gotas/seg. Sabendo que uma gota contém aproximadamente 0,083ml, podemos dizer que caia aproximadamente 0,0498ml de água por segundo, portanto, a água saia do tubo com uma vazão de 0,0498ml/s. Como o sistema se trata de um sistema fechado, podemos dizer que a vazão é dada por: No qual A é a área na qual o fluido flui e V a velocidade dele. Como temos a vazão, podemos dizer que, no tubo de aquário com 5mm de diâmetro temos:

10 ( ) Como se trata de um sistema fechado, podemos dizer que a variação do volume do ar é aproximadamente igual a variação do volume da água. Sabendo o diâmetro da garrafa pet, podemos dizer que: ( ) Assim, podemos dizer que a velocidade com que o ar se expande no sistema é de aproximadamente 0,003cm/s. Utilizando uma régua aferimos também a altura do furo em relação a base da garrafa pet, e a altura que a água se encontrava no interior da garrafa. Tabela 3 Altura da água no interior da garrafa e altura do furo Medição Altura Água [h 1 ] (cm) Altura Furo [h 2 ] (cm) 1 4,10 8,40 2 4,00 8,45 3 4,10 8,40 Média 4,06 (+/- 0,05) 8,41(+/-0,05) Calculadas as velocidades do fluido na parte interna do irrigador, e no tubo de aquário, e as alturas da água e do furo, podemos calcular a pressão interna do sistema a partir da equação de Bernoulli: Considerando a pressão externa (p 2 ) como a pressão atmosférica, sabendo que a pressão atmosférica vale ba, e a densidade da agua sendo 1 g/cm³ temos:

11 Assim temos que a pressão na parte interna do irrigador tem o valor de bárias.

12 5. Discussão No irrigador solar o ar presente no squeeze é aquecido pelo sol, e se expande, passando para a garrafa pet. Quando ocorre essa expansão o ar pressiona a água, que é forçada a sair pelo cano que conecta o ambiente externo ao externo, deste modo a agua ao chegar no final do cano goteja, irrigando o solo. No irrigador percebemos também que em seu pleno funcionamento ocorrem os três tipos de transferência de calor: o sol aquece o squeeze por meio de irradiação, este por sua vez aquece o ar contido dentro dele através da condução, e por fim o ar aquece a água por meio de convecção. Um dos problemas gerados por este experimento é que o mesmo não é funcional em dias nublados, ou em dias frios, prejudicando a irrigação do terreno. Outra questão problemática é a dificuldade de reabastecer o sistema com água, devido ao ar presente dentro do sistema.

13 6. Referencias Disponível em: < Acessado em: 16 de maio de 2016 Disponível em: < Acessado em: 16 de maio de 2016 Disponível em: < Acessado em: 21 de maio de 2016 Disponível em: < ED03174.pdf> Acessado em: 22 de maio de 2016 Disponível em: < 43&secao=Irriga%E7%E3o%20e%20Pulveriza%E7%E3o> Acessado em: 22 de maio de 2016 Disponível em: < Acessado em: 24 de maio de 2016