EXPERIMENO DE RANSFERÊNCIA DE CALOR REALIZADO REMOAMENE PELA INERNE Antonio J G Cruz ; Charles F D Jesus ; Ivan C Nali ; Paulo Olivi ; Roberto C Giordano Universidade Federal de São Carlos, Departaento de Engenharia Quíica Rodovia Washington Luis (SP 3), k 35 CEP 3565-95 São Carlos São Paulo ajgcruz@ufscarbr Universidade de São Paulo, Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto, Departaento de Quíica Av Bandeirantes, 39 - Monte Alegre CEP 44-9 - Ribeirao Preto, São Paulo olivip@ffclrpuspbr Resuo: Este trabalho descreve a realização de experiento didático de transferência de calor e barras cilíndricas (aletas) operado reotaente pela Internet O experiento encontra-se fisicaente ipleentado no Departaento de Quíica (DQ) da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRB - USP - Ribeirão Preto), coo parte integrante do projeto idia/kyaera-fapesp O acesso ao experiento (WebLab) foi realizado através do endereço: http://43768/condtephtl O experiento foi operado por equipes de alunos da disciplina de Análise e Siulação de Processos Quíicos durante o segundo seestre letivo do ano de 7 (curso de Engenharia Quíica da UFSCar) Este trabalho apresenta esta nova tecnologia, faz ua breve descrição do experiento e de sua operação a distância Durante a aula experiental, alé da obtenção dos dados experientais, foi apresentada aos alunos a odelage ateática do problea, suas condições de contorno e hipóteses siplificadoras adotadas, be co a técnica utilizada para resolver as equações resultantes (étodo das diferenças finitas) e sua siulação no coputador Devido ao resultado atingido, pode-se considerar o WebLab coo ua ferraenta de ensino de grande valia, que proporciona elhoria no aprendizado e estíulo aos alunos, alé de seu caráter inovador Palavras-chave: WebLab, i-lab, Internet INRODUÇÃO WebLabs ou ilabs são definidos coo laboratórios de qualquer ciência experiental (Física, Engenharia, Psicologia, por exeplo) que possa ser reotaente controlados/operados e tepo real através da internet co auxílio de u prograa navegador (web browser) A partir da últia década, os WebLabs estão sendo cada vez ais utilizados e uitas instituições educacionais, coo por exeplo: Instituto ecnológico de Massachussets (MI,
USA), Universidade de Deusto (Espanha), Universidade de Siena (Itália), Universidade de Cabridge (Inglaterra) (HARWARD et al, 4) E 5, durante o Workshop sobre WebLabs e Engenharia Quíica realizado e Cabridge (Inglaterra) (WORKSHOP, 7), três tipos de WebLabs fora apresentados: i) WebLabs que utiliza experientos que não necessita de supervisão local para sere operados Neste tipo de WebLab os experientos fica disponíveis para acesso reoto a qualquer tepo (noralente encontrados na área de Engenharia Elétrica); ii) WebLabs que consiste de equipaentos e escala piloto, sendo operados por dois grupos de estudantes (u deles localizado próxio ao equipaento e o outro distante do eso, ou seja, reoto) Abos grupos acessa o experiento via Internet As principais vantagens deste tipo de WebLab são operar u equipaento a distância coo e ua planta industrial e tabé propiciar a troca de experiências interculturais entre os grupos de alunos; iii) WebLabs de experientos específicos os quais são pouco utilizados e de ipleentação ou operação onerosa A vantage deste tipo de WebLab é peritir que ais pessoas tenha acesso ao equipaento Este trabalho descreve a prática de u experiento de transferência de calor e barras cilíndricas (WebLab) por equipes de alunos da disciplina de Análise e Siulação de Processos Quíicos do curso de Engenharia Quíica da UFSCar Explorou-se a abordage denoinada de Coputer-based eaching (BELHO et al, ) Buscou-se co esta prática introduzir conhecientos teóricos e conceitos gerais durante ua aula assistida por coputador O trabalho faz ua breve descrição do experiento e de sua operação a distância Durante a aula apresentou-se o desenvolviento do odelo ateático e a técnica utilizada para resolver a equação resultante, be coo sua siulação no coputador O artigo tece considerações a respeito desta experiência didática inovadora RANSFERÊNCIA DE CALOR EM ALEAS CILÍNDRICAS O aparato experiental foi ipleentado utilizando hardware desenvolvido no Departaento de Quíica da Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de Ribeirão Preto e prograa LabVIEW (versão 8) para elaboração do aplicativo de supervisão e controle do processo Ua fotografia do aparato experiental é apresentada na Figura (A) O aparato experiental consiste de duas barras cilíndricas de latão (diâetro de,5 e,, respectivaente) dispostas horizontalente e tendo ao longo do seu copriento teropares conectados nas posições (da direita para esquerda):, c, 5,5 c,, c, 4,5 c, 9, c, 3,5 c, 8, c, 3,5 c, 37, c Na base das barras encontra-se dois ódulos aquecedores, responsáveis pelo forneciento de calor durante a realização do experiento Na outra extreidade das barras encontra-se u ini ventilador, que pode ser acionado ou não durante o experiento Esse acessório perite que haja duas situações para as quais serão estiados os valores do coeficiente de transferência de calor por convecção: convecção natural ou convecção forçada Co auxílio do navegador de Internet (web browser), o acesso ao endereço <http://43768/condtephtl> perite a visualização da página principal do experiento (WebLab), ilustrado na Figura (B)
(A) Figura (A) Fotografia ilustrando o WebLab de transferência de calor e barras cilíndricas (aletas), localizado no departaento de Quíica da FFCL-USP-Ribeirão Preto, SP; (B) ela inicial de apresentação do experiento Nesta tela, o(s) usuário(s) (alunos das equipes) deve() configurar o experiento através de ações coo: selecionar o diâetro barra a ser utilizada (,5 ou, ); optar por experiento e convecção natural ou forçada; escolher a velocidade do aqueciento (lento, noral ou rápido); e ajustar a teperatura de estabilização da base da aleta O próxio passo consiste e avançar para a próxia tela e iniciar o experiento (Figura A) Ao térino do experiento, a barra escolhida entra e regie exibindo u perfil de teperatura ao longo de seu copriento Os dados das teperaturas edidas ao longo do tepo (e cada posição) pelos teropares são salvos e arquivo co codificação ASCII (Figura B)
(A) (B) Figura (A) ela para acopanhaento do experiento de distribuição de teperatura e barras cilíndricas (aletas); (B) Dados experientais arazenados ao longo do experiento 3 MEODOLOGIA A realização da prática experiental consistiu de três etapas Na prieira, o professor apresentou o estudo de caso (experiento de transferência de calor) e otivou os alunos a realizare a odelage fenoenológica do processo a partir dos conhecientos por eles já adquiridos As hipóteses siplificadoras adotadas fora discutidas e foi apresentado o étodo nuérico para solução do equacionaento resultante co auxílio do coputador (étodo das diferenças finitas) Na segunda, foi realizada ua apresentação desta nova tecnologia (WebLab) Os alunos fora alocados e equipes e estas realizara o acesso reoto ao experiento (e sala de inforática do DEQ/UFSCar) Cada equipe realizou dois
experientos de aqueciento e diferentes condições Ao final da sessão, os dados experientais e arquivo forato ASCII fora salvos e disponibilizados às equipes para posterior elaboração de relatório A últia etapa consistiu da siulação do odelo desenvolvido para ajustar o parâetro de transferência de calor por convecção utilizando os dados experientais obtidos Por fi, as equipes apresentara ao professor u relatório da prática experiental 4 MODELO MAEMÁICO O problea de troca de calor convectiva e barra subetida a brusca variação de teperatura e u de seus extreos consiste e considerar ao longo da barra fluxo de calor condutivo, unidiensional e as propriedades físicas do aterial constante co a teperatura Assue-se que a perda de calor entre a barra e o eio abiente (ar) possa ser representada por u valor édio caracterizado por u coeficiente de película constante ao longo da barra A Figura 3 apresenta u esquea da aleta cilíndrica Figura 3: Esquea da aleta cilíndrica e a noenclatura adotada Adotando-se estas hipóteses siplificadoras, o balanço de energia no estado estacionário resulta na seguinte equação diferencial ordinária: d 4 h = dx k D ( ) () onde: é a teperatura da barra na posição x; é a teperatura abiente; h é o coeficiente édio de transferência de calor por convecção k é a condutividade térica do aterial da aleta D é o diâetro da aleta As condições de contorno para a equação () são: C Na posição x =, a teperatura é antida e valor fixo (teperatura da base), assuindo o valor = o C Na posição x=l, onde L é o copriento da aleta, a extreidade da aleta, três condições pode ser assuidas: ) =, hipótese de que a barra te u copriento uito longo (pode ser considerada infinita);
d ) =, hipótese de extreidade da barra isolada; dx d 3) k = h ( ), hipótese da barra trocando calor por convecção e sua dx x= L x= L extreidade Este odelo apresenta solução analítica para as condições de contorno apresentadas (Kreith e Bohn, 3) A abela ilustra as condições de contorno e as respectivas soluções da equação abela Soluções analíticas do problea de condução de calor unidiensional e estado estacionário e aleta cilíndrica Caso Condição de contorno Solução analítica x = = o x x = L = = e o x = = o x = L d = dx o cosh = cosh [ ( L x) ] ( L) 3 * x = = o x = L d k = h dx h = 4 k D x= L ( ) x= L cosh = o cosh h k h k [ ( L x) ] + senh[ ( L x) ] ( L) + senh( L) ) Coo o objetivo da disciplina é apresentar técnicas nuéricas para solução de probleas, epregou-se a técnica das diferenças finitas (PINO e LAGE, ) para sua solução nuérica Co esta técnica, o problea é transforado e u sistea de equações algébricas sendo resolvido por algu étodo adequado (algorito de Gauss, LU, etc) O problea foi discretizado co a aplicação de ua alha na direção x (núero de pontos igual a NP = ) ao longo do copriento da aleta ilustrada na Figura 3 ( é a espessura de cada eleento da barra, ou seja, = L ) Aplicando fórulas de ( NP ) diferença progressiva e centrada, discretizou-se a equação () sujeita as condições de contorno dadas pelo caso (abela ) A equação () apresenta a equação discretizada ( + ) + i + = i i=,, (NP-) CC : = i i = CC : N = N + i = NP ()
A equação diferencial ordinária de segunda orde é transforada e equações algébricas lineares, expressa na fora atricial pela equação (3) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = + + + + + o N N 4 3 (3) O sistea atricial dado pela equação (3) foi resolvido epregando as condições experientais obtidas durante a realização do WebLab Estiou-se, por eio de ajuste visual, o valor do coeficiente de transferência de calor por convecção, h = 5 W - o C - para o caso de convecção natural (aleta de,5 de diâetro) A Figura 4 ilustra os valores siulados e experientais obtidos para aleta de,5 e convecção natural O equacionaento foi ipleentado no prograa Scilab 5 5 5 3 35 4 35 4 45 5 55 6 65 Posição () eperatura (oc) Figura 4: Dados experientais e siulados para aleta de,5, e convecção natural (coeficiente édio de transferência de calor por convecção ajustado visualente, h = 5 W - o C - ) 5 IMPRESSÃO DOS ALUNOS Após a realização do experiento, foi entregue aos alunos u forulário co as seguintes questões: Q ) Qual a sua opinião sobre o uso de experientos realizados através da Internet nesta disciplina ou e outras disciplinas?; Q ) Qual foi a dificuldade e operar esse experiento?; Q 3 ) O que você achou dessa prática experiental?; Q 4 ) Este tipo de experiento te ipacto positivo e sua foração?;
Q 5 ) A realização desta prática auentou sua otivação? A abela apresenta alguas das respostas fornecidas pelos estudantes abela ranscrição de alguas respostas fornecidas pelos alunos Q Q Q3 Q4 Q5 ) Muito iportante sob diversos aspectos, coo a aior praticidade da aula, interação dos alunos co a prática de siulação de experientos, elhor visualização das técnicas epregadas e interpretação do fenôeno e estudo e seus resultados, be coo oportunidade de interagir co outras instituições de ensino através deste tipo de colaboração ; ) Co certeza foi uito legal, para dizer a verdade não conhecia essa possibilidade, achava que isso só iria ocorrer uito adiante, as realente valeu a pena Co certeza isso facilitaria uito se fosse aplicado e outras disciplinas ) Muito iportante sob diversos aspectos, coo a aior praticidade da aula, interação dos alunos co a prática de siulação de experientos, elhor visualização das técnicas epregadas e interpretação do fenôeno e estudo e seus resultados, be coo oportunidade de interagir co outras instituições de ensino através deste tipo de colaboração ; ) Co certeza foi uito legal, para dizer a verdade não conhecia essa possibilidade, achava que isso só iria ocorrer uito adiante, as realente valeu a pena Co certeza isso facilitaria uito se fosse aplicado e outras disciplinas ) É ua experiência bastante pertinente ao curso, estudada principalente nas disciplinas de fenôenos de transporte e laboratório de fenôenos de transporte, possibilitou a oportunidade de copreender sob ua nova ótica, os conceitos de transferência de calor abordados ; ) Por ser coputadorizada, conseguios ua tabela co as teperaturas durante o regie transiente, o que seria difícil na prática que fizeos no laboratório de F, isso o que torna a experiência ais interessante ) Si, pois descobrios que podeos fazer experientos quando necessitaros, eso estando longe Alé disso, esse experiento realizado na faculdade, nos acrescenta ua experiência e nos ostra coo fazer, caso preciseos realizar algo do tipo no futuro ; ) Si Foi ua nova experiência do ponto de vista didático, apresentou ua abordage clara e objetiva da prática se descuidar dos conceitos fundaentais relacionados ) Si, tornou a aula ais interessante e dinâica ) Essa prática serviu para fazer co que possaos ver coo a tecnologia evoluiu e coo ela está servindo para ajudar no nosso curso, e o uso da tecnologia sepre nos otiva a fazer as coisas 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS A interpretação das respostas dos estudantes conduz a conclusão de que o uso dessa nova ferraenta, o WebLab, auenta o interesse na edida e que proporciona o contato co recursos inforatizados e co ua nova tecnologia de ensino A experiência ostrou que durante a realização da prática experiental é iportante tabé que os alunos seja acopanhados por u tutor ou professor
Apesar das várias vantagens dos WebLabs, se u experiento não for atrativo, os estudantes pode perder o entusiaso e o objetivo da prática experiental pode não ser alcançada (fato que tabé ocorre e experientos presenciais) Por esta razão, uita atenção deve ser toada quando da elaboração e preparo do conteúdo teórico da atividade e quando da realização da prática e si Devido ao resultado atingido, pode-se considerar o WebLab coo ua ferraenta de ensino de grande valia, que proporciona elhoria no aprendizado e estíulo aos alunos, alé de seu caráter inovador Agradecientos Os autores agradece a FAPESP pelo apoio financeiro para o desenvolviento do projeto (Processo 3/87-5) Este trabalho foi apresentado na fora de painel durante a II Seana de Inovações Pedagógicas da UFSCar (8) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BELHO, R V; FIGUEIREDO, R S; MALAVÉ, C O O Uso da Siulação no Ensino de Engenharia In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENSINO DE ENGENHARIA (COBENGE),,, Rio Grande do Sul Anais Rio Grande do Sul: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul,, p - HARWARD, VJ; Del ALAMO, JA; CHOUDARY, VS DeLONG, K i-labs: A Scalable Archictecture for Sharing Online Experients Intern Conf on Engineering Education, Gainesville, Florida-USA, Oct 4 KREIH, F e BOHN, M S Princípios de ransferência de Calor São Paulo, Pioneira hoson Learning, 3 PINO, J C e LAGE, P L Métodos Nuéricos e Probleas de Engenharia Quíica Rio de Janeiro, Série Escola Piloto e Engenharia Quíica COPPE/UFRJ, E-papers serviços editoriais Ltda, WORKSHOP Citação de referências e docuentos eletrônicos Disponível e: <http://coochengcaacuk/confworkshophtl> Acesso e: 6 fevereiro 8 HEA RANSFER EXPERIMEN OPERAED REMOELY OVER HE INERNE Abstract: his work describes the use of a didactic experient of heat transfer due to conduction in a cylinder rod subject to convection fro the surface he experient was reotely operated throughout the internet during a lecturer of Analysis and Siulation of Cheical Processes at UFSCar capus he experient was perfored by teas of third
year cheical engineering students during the second seester (7 acadeic year) he experient is physically located in the Cheistry Departent of Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras of Ribeirão Preto city (FFCLRB USP Ribeirão Preto) his experient was developed in idia/kyaera-fapesp project he WebLab access is ade by eans of an Internet navigator in the following address: http://43768/condtephtl During the experiental lecture the atheatical odelling of the proble, their boundary conditions and the siplify hypothesis used in the proble stateent was presented to the students A nuerical solution of the proble using the finite difference technique was presented he teperature profile siulated by the odel was copared to the collected experiental data he convective heat transfer coefficient was adjusted to fit the odel to the experiental data Fro the results obtained, it can be considered that the WebLab is an iportant tool that brings lab experiences into the lecture hall Weblabs can provide an experience of collecting data fro real experiental equipent without having to physically be in the laboratory Key-words: WebLab, Education, Internet