Construindo um coletor solar de baixo custo: uma oportunidade para ensinar Física

## Construindo um coletor solar de baixo custo: uma oportunidade para ensinar Física

Luiz Artur Weillera,1 (arturfisica@yahoo.com.br)

Nylton Gomes e Andrade a,1 (nyckl@hotmail.com) Thiago Daniel Moura a,1 (thiagodaniel\_moura@hotmail.com) Teddy Almeida a,1 (teddy\_almeida@yahoo.com.br) Rodrigo Izidoro Correa a,1 (rodrigoizi@yahoo.com.br) Adriana Gomes Dickmanana,b,1(adickman@pucminas.br)

- a Curso de Licenciatura em Física – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
- b Mestrado em Ensino – PREPES – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

## RESUMO

Na presente proposta descrevemos a construção de um coletor solar com materiais recicláveis e de fácil acesso à população. O nosso trabalho tem como objetivo principal aliar o ensino de física ao conhecimento envolvido na construção e funcionamento de um coletor solar de baixo custo. Sugerimos a construção de um coletor solar empregando garrafas PET e caixas t tetra pak de leite ou suco como parte de um projeto escolar permeado pela discussão dos conceitos físicos envolvidos. Os principais tópicos abordados são da área de calor e termodinâmica, sendo que para estes temas seguimos o padrão utilizado em livros do ensino médio. Podemos trabalhar de forma prática com o termômetro, juntamente com o conceito de temperatura, medindo a temperatura da água que entra e que sai do coletor e da sua superfície externa. Para discutir como a água entra fria e sai quente, introduzimos o conceito de calor, como um fluxo de energia de um corpo com maior temperatura para um com memenor temperatura. Introduzem-m-se tópicos como capacidade térmica e calor específico de uma substância, discutindo também o uso do reservatório térmico cuja função é impedir que haja troca de calor da água com o meio. É possível demonstrar as três formas de transferência de calor usando o coletor solar, e como o efeito estufa é aproveitado. Podem-m-se discutir temas como radiação eletromagnética, radiação de um corpo negro, lei de Stefan-n-Boltzmann, campo magnético terrestre, os movimentos da Terra e as estações do ano. Fizemos o levantamento da curva-resposta do nosso coletor e uma estimativa da sua eficiência total de absorção de energia solar . O desenvolvimento desse projeto permite um bom entendimento dos princípios de funcionamento de um coletor solar, bem cocomo, a sua utilização para a transposição didática dos conceitos físicos relacionados, proporcionando um momento oportuno para discutir a importância da geração e utilização consciente de energia.

## INTRODUÇÃO

O professor de Física deve, além de transmitir o conhecimento da ciência Física, preparar seus alunos para atuar de modo fundamentado, consciente e responsável diante das necessidades impostas pela vida atual. Um dos aspectos que caracteriza a nossa sociedade é o grande gasto de energia. Esse aumento do do consumo de energia trtraz z como conseqüência uma preocupação constante com a produção/geração de energia em grande escala, acarretando por sua vez uma crescente degradação do meio ambiente. O processo de conscientização da população e a busca por fontes alternativas de energia são lentos. Assim, a conscientização dos cidadãos da importância da energia para a nossa vida e os problemas relacionados com a sua geração deve acontecer desde cedo. Sugerimos, portanto, que essa reflexão seja feita também nas escolas .

Energia é fundamental à vida e o Sol é a principal fonte de energia do mundo. O Sol é uma fonte de energia renovável 2 com durabilidade de pelo menos mais cinco bilhões de anos, cuja utilização tem a vantagem de causar baixos impactos ambientais. A crise energética gerada pela escassez de petróleo, matéria-prima básica da nossa sociedade industrializada, e seu possível esgotamento nos próximos cinqüenta anos, se continuarmos no ritmo de consumo atual, tem gerado estudos sobre fontes alternativas de energia. Entre elas têm sido consideradas a energia eólica, o álcool, a energia nuclear e a energia solar.

A energia advinda do Sol pode ser utilizada diretamente ou indiretamente. Há registros da utilização direta da luz solar desde os índios pré-incaicos, e o o seu aproveitamento por meio de dispositivos tecnológicos desde o século XVI (OKUNO, 1982). O ser humano ao longo da história tem utilizado a energia solar transformando-a em outras formas de energia, como a térmica, mecânica, e com isso desenvolveu diferentes tecnologias p para a sua utilização. Como exemplo, podemos citar os coletores solares, que são dispositivos projetados para transformar eficientemente a luz solar em calor. As primeiras iniciativas de desenvolvimento dessa tecnologia datam de 1973, mas só a partir da década de 80 o mercado de coletores solares se desenvolveu no Brasil. Hoje em dia é bastante comum o seu uso doméstico para o aquecimento de água.

A construçução e funcionamento de um coletor r solar envolvem uma grande variedade de temas da fífísica, propiciando uma excelente oportunidade de realizar uma aula interessante, aumentando a efetividade no no ensino/aprendizagem dos conceitos apresentados. A idéia é bastante popular no ensino de Física sendo que o assunto é freqüentemente tratado em várioios trabalhos. O ponto comum desses trabalhos é o fato do coletor solar ter sido projetado e exclusivamente p para demonstração . Nos artigos utiliza-se um sistema de aquecimento solar, construído a partir de materiais de fácil aquisição, para fins didáticos. Sugere-se o planejamento de uma aula para alunos do ensino médio, na qual l podem ser discutidos temas relacionados com a captação e e transferência de energia solar (FERREIRA, 1985; LIMA, 1986; ; PIMENTEL, 2004; PIMENTEL, 1987; PIMENTEL, 1989).

O nosso trabalho, a exemplo dos trabalhos já desenvolvidos, tem como objetivo principal aliar o ensino de física ao conhecimento envolvido na construção e funcionamento de um coletor solar de baixo custo. Sugerimos a construção de um coletor solar , empregando material reciciclável como garrafas PET 3 e caixas tetra pak de leite ou suco (ALANO, 2006) , como parte de um projeto escolar permeado pela discussão dos conceitos físicos envolvidos. O modelo do nosso coletor solar foi projetado por Alano e é efetivamente utilizado em residências para a obtenção de água aquecida. O custo da nossa montagem foi de 73 reais. Além de apresentar uma discussão detalhada dos tópicos que podem ser abordados, medimos o comportamento da temperatura da água no ponto de consumo no reservatório e fizemos uma estimativa da eficiência total de absorção de energia solar do nosso coletor . Sugerimos também aproveitar a oportunidade para iniciar uma discussão sobre a importância da geração e uso consciente de energia.

## METODOLOGIA PARA A CONSTRUÇÃO DO COLETOR SOLAR

Apresentamos nesta seção o material necessário para a montagem do coletor solar e um resumo dos passos seguidos para a sua construção (para maiores detalhes ver ALANO, 2006).

## Material

- ¨ 40 garrafas PET 2L;
- ¨ 20 caixas tetra pak de 1L (leite, suco o etc.);
- ¨ 2 caixas de isopor (caixa d'água);
- ¨ 2 sprays de tinta preta fosca;
- ¨ 1 tubo de cola soldável;
- ¨ 2 caps. de 20 mm soldáveis;
- ¨ 5 joelhos de 90º de 20 mm soldáveis;
- ¨ 16 "T" de 20 mm soldáveis;
- ¨ 12 metros de cano PVC de 20 mm soldáveis;
- ¨ 2 flanges de ½ x 20 mm soldáveis;
- ¨ 1 suporte de fixação do coletor solar;

## Produzindo os componentes do conjunto

Na produção dos componentes do conjunto, seguimos passo a passo o manual sobre a construção do coletor solar (ALANO, 2006), para garantir um bom desempenho do sistema de aquecimento solar. Escolhemos um único tipo de garrafa PET, todas do mesmo tamanho. Após a limpeza, as embalagens tetra pak são cortadas, pintadas de preto e dobradas de modo que se encaixem m dentro das garrafas PET. Essas também são cortadas e e encaixadas uma às outras, acompanhando a estrutura da garrafa como mostrado na Fig. 1. Essa estrutura substitui a caixa do painel de absorção solar e o vidro nos coletores convencionais, protegendo o interior do coletor de interferências externas e criando o efeito estufa. (ALANO, 2006).

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Fig. 1- Preparação das garrafas PET.

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A pintura dos canos de PVC e das embalagens tetra pak foi feita utilizando spray preto fosco para secagem rápida. Usamos como reservatório para água quente uma caixa de isopor, com capacidade de armazenar 24L. Na Fig. 2 mostramos os canos de PVC pintados de preto.

Fig. 2- Componentes do coletor solar.

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## Montagem do coletor solar

A seguir listamos os passos para a montagem do coletor solar. É importante mencionar que modificamos as ligações para a entrada e saída de água quente e fria, pois não é a nossa intenção instalar o aquecedor solar em uma residência, como no no projeto to original. A Fig. 3 mostra o coletor solar r na sua forma final e um esquema da circulação da água .

- 1. Produzir e momontar os componentes do conjunto do coletor solar, como descrito no item anterior;
- 2. Localizar o norte geográfico para posicionar o suporte de fixação e o coletor solar;
- 3. Inclinar o coletor solar em relação à latitude local;
- 4. Determinar o local para a instalação do coletor solar;
- 5. Na parte inferior esquerda do coletor encaixar na seguinte ordem: um joelho, um cano de 20 mm soldável, um joelho, um cano de 20 mm soldável adicionado a mais um joelho. Esse, porém, deve ser interligado até o flange que está fixado ao reservatório de água fria;
- 6. Na parte superior direita do coletor encaixar um joelho, um cano de 20 mm soldável, um joelho e um cano de 20 mm soldável conectado ao flange que está fixado no reservatório de água quente. A distância entre os canos e os joelhos dependerá da localização do coletor solar em relação ao seu ponto de consumo.

Fig. 3- O coletor solar construído .

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## METODOLOGIA PARA A ABORDAGEM DOS TÓPICOS DE FÍSICA RELACIONADOS

Apresentamos uma proposta para a abordagem do conteúdo teórico que pode ser discutido com alunos do Ensino Médio a partir da construção do coletor solar. Este não deve ser tratado como um modelo fixo, pois segundo Araújo há uma variedade significativa de possibilidades e tendências ao se utilizar experimentação no ensino de físfísica, as quais devem ser adequadas ao público-alvo (ARAUJO, 2003).

Os principais tópicos abordados são da área de calor e termodinâmica, onde seguimos o padrão utilizado em livros do ensino médio, adotando o volume dois do Curso de Física por Beatriz Alvlvarenga e Antônio Máximo (ALVARENGA, 2000).

Podemos trabalhar de forma prática com o termômetro, juntamente com o conceito de temperatura, medindo a temperatura da água que entra e que sai do coletor e a temperatura da sua superfície externa. Para discutir ir como a água entra fria e sai quente, introduzimos o conceito de calor, como uma energia que flui de um corpo com maior temperatura para um com menor temperatura. Discutimos tópicos como a capacidade térmica e calor específico de uma substância, por meio do seguinte questionamento: por que a água demora mais a ganhar e ceder calor do que a areia, por exemplo? Então é uma boa hora para discutir o uso do reservatório térmico , cuja função é impedir que haja troca de calor da água com o meio.

As medidas realizadas nos permitem fazer o cálculo do calor absorvido pela água utilizando a seguinte relação:

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onde m é a massa da água, c o seu calor específico e DT a diferença de temperatura entre a água fria e quente.

É possível demonstrar as três formas de transferência de calor usando o coletor solar. A embalagem tetra pak possui uma superfície de alumínio que é um condutor, assim, o fluxo de energia que chega às extremidades da embalagem será conduzido até à tubulação. Este, por sua vez, é transferido para a água, que é aquecida por convecção. Como utilizamos o processo de circulação natural da água através do termo sifão, ver diagrama na Fig. 3, é um bom momento para discutir por que a água quente fica sobre a água fria, trabalhando a questão da densidade.

Usamos a garrafa PET justamente para causar o efeito estufa, retendo assim boa parte da radiação infravermelha. Colocamos um termômetro dentro desta "estufa" e em seus arredores, para verificar a elevação da temperatura interna e externamente, devido à radiação térmica. Para aprofundar mais no assunto é interessante discutir o comportamento de corpos de diferentes cores na absorção de ener gia eletromagnética. É fácil verificar que os corpos mais escuros absorvem maior quantidade de energia que os corpos claros. Assim, o momento é propício para discutir as características de um corpo negro ideal, como bom emissor e absorvedor de calor. Segundndo Varejão-Silva, para algumas faixas da região do infravermelho do espectro eletromagnético, muitos corpos reais atuam como se fossem um corpo negro (VAREJÃO -SILVA, 2000). Por isso é importante que a embalagem tetra pak e os canos sejam pintados com tinta a preta a fosca. A radiância de um corpo negro pode ser quantificada por meio da relação de Stefan-n-Boltzmann:

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onde 8 5 , 67 10 -s = ' W/m2 m2 K 4 4 é a constante de StefannBoltzmann e T é a temperatura absoluta do corpo negro.

O Sol emite uma grande quantidade de energia, e uma parte dessa energia atinge a Terra. A constante solar, quantidade de energia radiante recebida a cada segundo por metro quadrado, no topo da atmosfera, é é igual a a 1367 J (DUFFIE, 1991). A potência solar que atinge o solo terrestre é atenuada por vários fatores, entre eles podemos citar ababsorção e reflexão pela atmosfera, ângulo de elevação em relação ao Sol. Medidas glglobais anuais mostram que apenas 51% da radiação solar incidente na Terra e em sua atmosfera é absorvida a na na superfície, sendo que a atmosfera absorve 19% e os 30% restantes são refletidos de volta ao espaço. Ao longo do ano, a quantidade de energia

solar que chega a Terra e atmosfera é igual à energia que é emitida pela Terra. Caso esse balanço não aconteça, haveria ou um aquecimento ou resfriamento global.

O estudo da eficiência do coletor nos leva ao seguinte questionamento: Qual é a melhor forma de posicionar um sistema de aquecimento solar para que ele consiga captar o máximo possível de radiação? Sugerimos que este estudo seja limitado a uma abordagem mais qualitativa, devido a sua complexidade para o Ensino Médio. A radiação incidente no plano de um coletor solar é uma função da:

- · Localidade em estudo (latitude geográfica);
- · Época do ano;
- · Hora do dia;
- · Inclinação e orientação do coletor.

A eficiência térmica do coletor pode ser estimada por meio da expressão:

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onde QuQutil l é o calor transferido para a água, Qinc é o calor incidente, G é radiação global e Aext t é a área externa do coletor (PEREIRA, 2002). Podemos consultar os dados de radiação global nos siteses www.cresesb.cepel.br/abertura.htm m ou satelite.cptec.inpe.br/htmldocs/radiacao/fluxos/radsat.htm para obter uma estimativa do do valor de G no plano inclinado do coletor, onde é importante destacar que existe uma pequena diferença entre a radiação que chega sobre um plano horizontal e um plano inclinado. Mas como a estimativa da radiação incidente num plano inclinado a partir da radiação no plano horizontal é muito complexa para este fim, usamos esta aproximação para que os alunos tenham uma idéia mais quantitativa sobre o assunto. Usamos a latitude 19° 55' 15' S e a longitude 43° 56' 16'' W de Belo Horizonte para obtermos a constante de radiação solar p para esta região.

Ainda sobre a radiação global podemos discutir as suas componentes difusa e direta, muito importantes nesse estudo. A A componente direta não sofre nenhuma reflexão em sua trajetória, enquanto que a componentnte difusa , antes de chegar a Terra , sofre diversas reflexões perdendo parte de sua energia. A radiação global é a soma dedessas duas componentes (direta + difusa), e assim explica-se por que conseguimos o aquecimento da água mesmo nos dias nublados .

A questão da intensidade da radiação solar incidente sobre uma superfície na Terra nos leva a uma discussão sobre os movimentos da Terra e as estações do ano. A declinação solar é definida como o ângulo formado entre o plano da órbita da Terra e o plano do equador terrestre, sendo esta variando de - - 23,45° £ d £ 23,45°, e juntamente com os movimentos da Terra, responsáveis pelas estações do ano. Existem métodos de se calcular a declinação solar como o proposto por Cooper (DUFFIE, 1991):

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onde d d = dias do ano variando de um a 365. Nessa abordagem, m, relativa aos movimentos da Terra e estações do ano, pode-se trabalhar de forma interdisciplinar com a geografia, enriquecendndo ainda mais o tema.

A inclinação e orientação do coletor são aspectos importantes, pois, como estamos no hemisfério sul, devemos orientar nosso coletor para o norte geográfico e com inclinação igual a latitude do local (a inclinação mínima é de 20°, caso a latitude do local seja a menor, deve-se fazer uma adaptação). Para determinar a direção norte pode-se utilizar uma bússola, uma boa oportunidade para discutir seu funcionamento e o campo magnético terrestre.

Percebe -se, portanto, que com um simples coleletor solar podemos abordar diversos temas da a Física no Ensino Médio. Apresentamos então uma pequena possibilidade de se tratar tais conteúdos usando um coletor solar de baixo custo, sendo possível a inclusão de outras abordagens e métodos, que podem variar r segundo a realidade de cada professor.

## DADOS E ANÁLISE DOS RERESULTADOS

Para analisar o comportamento da temperatura da água no ponto de consumo do reservatório, foforam feitas medidas da temperatura de aquecimento da água, em Belo Horizonte, durante a parte da manhã em dois dias consecutivos. A Fig. 4 mostra o resultado obtido no gráfico da variação da temperatura (o (o C) em função do tempo (minutos).

Fig. 4. Curva resposta do coletor solar.

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Observamos que, embora as condições climáticas tenham sido distintas nos dois dias de medição, a temperatura final da água chegou a 40 o C. Houve uma boa variação da temperatura a da água, em torno de 16 o C, em um intervalo relativamente curto de exposição. Foram feitas medidas da temperatura da água ao anoitecer, por volta das dezoito horas. Os dados obtidos mostram que o coletor solar manteve a água aquecida no ponto de consumo, em torno de 34 o C, mesmo no dia chuvoso. Esse fato atesta o seu bom funcionamento.

A partir dos dados obtidos, podemos calcular a razão entre a quantidade de energia absorvida pela água e a quantidade estimada de energia radiante incidente no no coletor. Essa razão é uma medida da eficiência total l do nosso coletor. No dia nublado com sol, l, foi aquecida uma massa de água igual a 24 Kg, com temperatura inicial igual a 25ºC até a temperatura de 40ºC. Utilizando a equação 1 obtemos que a quantidade de energia absorvida é igual a 1,5 MJ, considerando o calor específico da água c = 4186 J/K/Kg o C e a variação de temperatura T 15 C . o D = A estimativa da quantidade de energia incidente no coletor é obtida pelo produto de G =1367 J/m 2 m 2 . s pela área exposta do coletor A ext = 0,78 m2 m2 e pelo tempo total l de exposição ao Sol, l, 225 minutos (13.500 s). Assim, obtemos Q * inc = 14,4 MJ . Lembrando que apenas 51% dessa radiação incidente é efetivamente absorvida na

superfície da Terra, Qinc= 7,3 MJ. A A razão entre essas duas grgrandezas nos mostra que aproximadamente 20% da quantidade de energia incidente foi absorvida pelo nosso coletor.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

A construção e e utilização de um coletor solar permitem a exploração qualitativa e quantitativa de vários conceitos da física que podem ser discutidos com alunos do Ensino Médio. Este estudo permite que o aluno compreenda a importância de estudos teóricos para a otimização de aplicações técnicas, e que o professor cumpra o seu papel de formador de cidadãos (ARAUJO, 2003). Durante a realização desse projeto, o professor r pode discutir fontes alternativas de energia, com impactos ambientais menores, e mencionar que o consumo de energia elétrica pode ser reduzido em até 40% com o uso do coletor solar. Assim, o aluno terá a oportunidade de relacionar o estudo científico com seu cotidiano e se posicionar criticamente diante das formas de se gerar energia e da questão ambiental. (SILVA, 2002)

Outros esquemas podem ser feitos dando ênfase aos conteúdos ligados à radiação ou aos aspectos relacionados ao posicionamento do coletor. Sugerimos, ainda, alguns experimentos para verificar, por exemplo, a importância da ação de cobertura, local de instalação e ângulo de inclinação do coletor no desempenho do sistema.

O coletor solar que construímos para o nosso projeto tem um custo relativamente baixo e pode ser utilizado para o aquecimento de água em residências, como projetado originalmente por seu criador . Esse projeto foi financiado pela Pró-reitoria de Extensão da PUC Minas e será apresentado no Instituto Kairós no município de São Sebastião de Águas Claras (MG), na inauguração do Projeto de Tecnologia Social, cujo objetivo é promover a melhoria de vida da população rural e de baixa renda por meio da divulgação de tecnologia de baixo custo e de fácil aquisição.

## REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALANO, J.A. e família a (2006) . Manual Sobre a Construção e Instalação do Aquecedor Solar Composto de de Embalagens Descartáveis. (Lixo Vira Água Quente). Recompilado por: Miguel Soler Perez Filho. Disponível em http://josealcinoalano.vilabol.uol.com.br/manual.htm, m, acessado em setembro de 2006.

ALVARENGA, B. e MÁXIMO, A. (2000). Curso de Física. v.2. São Paulo: Scipione .

ARAÚJO, M.S. de T. ABIB, M.L.S. (2003). Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades . Revista Brasileira de Ensino de Física, v.25, n.2 , p.176-194 .

COELHO, R.O. O que leva o aluno a gostar (ou não) da aula de Física? (1999). 11f. Trabalho de conclusão de curso (Especialização). Universidade Federal de Pelotas, Faculdade de Educação.

DUFFIE, J. A. BECKMANN , W. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes . New York: Wiley &amp; Sons .

FERREIRA, N.C. e MISSONO, M.C.D. (1985). Laboratório caseiro: coletor solar. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.2, n.2, p.86-90 .

LIMA, D. ALMEIDA, A.L. LOPES, C. (1986). O Protótipo de um Coletor Solar Didático . Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.3, n.2, p.102-106 .

OKUNO, E., CALDAS, I.L. e CHOW, C. (1982). Física para ciências biológicas e biomédicas . São Paulo: Harper &amp; Row do Brasil .

OLIVEIRA, A. (2002). Petróleo: por que os preços sobem (e descem)? Disponível em http://www.comciencia.br/reportagens/petroleo/pet17.shtml em set. de 2006 .

PEREIRA, R.G., FREITAS, A.L.A., TORRES, C. S e COSTA, N.G. (2000) Desenvolvimento de um Coletor Solar Alternativo Utilizando Materiais Reaproveitáveis. Mundo e Vida, v. 2 .

PEREIRA, E.M.D. (2002). Energia Solar aplicada: instalações solares de pequeno porte. (6(6ª ed.) Belo Horizonte: PUC Minas virtual.

PIMENTETEL, J.R. (2004). Sistema de aquecimento solar didático empregando uma bandeja metálica. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.21, n. esp., p. 114-119.

PIMENTEL, J.R. (1987). Sistema de aquecimento solar didático empregando uma bandeja metálica. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 4, n.2, p. 104-111 .

PIMENTEL, J.R., LUCIANO, E.A. e MORAIS, M.B. (1989). Sistema de Aquecimento Solar Didático . Revista Brasileira de Ensino de Física, v.11, n.1, p.3-14.

SILVA, L.F. CARVALHO, L.M. (2002) A temática ambiental e o ensino de física na escola média: Algumas possibilidades de desenvolver o tema produção de energia elétrica em larga escala em uma situação de ensino . Revista Brasileira de Ensino de Física, vol.24, n.3, p.342-352.

VAREJÃO -SILVA, M. A. (2000). Meteorologia e climatologia. (INMET) Brasília: Stilo . Disponível em http://www.agritempo.gov.br/tmp/Meteorologia\_Climatologia.pdf. f.