CONSTRUINDO UM FORNO SOLAR DE BAIXO CUSTO: UMA OPORTUNIDADE PARA ENSINAR TERMODINÃMICA

## CONSTRUINDO UM FORNO SOLAR DE BAIXO CUSTO: UMA OPORTUNIDADE PARA ENSINAR TERMODINÃMICA

## Ana Lúcia Figueiredo de Souza Nogueira1

1 UNIMONTES - Universidade Estadual de Montes Claros/DCExatas CEC - Centro de Educação e Cultura Analuf05@gmail.com

## Resumo

Na presente proposta descrevemos a construção de um forno 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 forno solar de baixo custo. Sugerimos a construção de um forno solar empregando caixas de papelão, lã de vidro e placa de metal 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 do forno na hora de cozimento. Para discutir como o forno funciona, introduzimos o conceito de calor, como um fluxo de energia de um corpo com maior temperatura para um com menor temperatura. Introduzem-se tópicos como capacidade térmica e calor específico de uma substância, discutindo também o uso da lã de vidro cuja função é impedir que haja troca de calor do interior do forno com o meio. É possível demonstrar as três formas de transferência de calor usando o forno solar, e como o efeito estufa é aproveitado. Podem-se discutir temas como radiação eletromagnética, radiação de um corpo negro e a lei de Stefan-Boltzmann. Fizemos o levantamento da curva-resposta do nosso forno 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 forno solar, bem como, 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.

Palavras-chave : Ensino, Termodinâmica, Forno Solar

## 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 consumo de energia traz como consequência 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 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, matériaprima básica da nossa sociedade industrializada, e seu possível esgotamento nos próximos cinquenta 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 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 para a sua utilização. Como exemplo, podemos citar os fornos solares, que são dispositivos projetados para transformar eficientemente a luz solar em calor.

A construção e funcionamento de um forno solar envolvem uma grande variedade de temas da física, propiciando uma excelente oportunidade de realizar uma aula interessante, aumentando a efetividade no ensino/aprendizagem dos conceitos apresentados. A ideia é bastante popular no ensino de Física sendo que o assunto é frequentemente tratado em vários trabalhos. O ponto comum desses trabalhos é o fato do forno solar ter sido projetado exclusivamente 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 podem ser discutidos temas relacionados com a captação e transferência de energia solar (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 forno solar de baixo custo. Sugerimos a construção de um forno solar, empregando material reciclável como caixas de papelão e plástico como parte de um projeto escolar permeado pela discussão dos conceitos físicos envolvidos. O modelo do nosso forno solar foi projetado por Horace de Saussure. O custo da nossa montagem foi de 50 reais. Além de apresentar uma discussão detalhada dos tópicos que podem ser abordados, medimos o comportamento da temperatura do forno ao longo do dia e fizemos uma estimativa da eficiência total de absorção de energia solar do nosso forno. Sugerimos também aproveitar a oportunidade para iniciar uma discussão sobre a importância da geração e uso consciente de energia.

## METODOLOGIA PARA A CONSTRUÇÃO DO FORNO SOLAR

Apresentamos nesta seção o material necessário para a montagem do forno solar e um resumo dos passos seguidos para a sua construção. Para maiores detalhes, seguimos a orientação disponível em < http://www.seara.ufc.br/tintim/fisica/fornosolar/fornosolar00.htm>. Acesso em 21 de outubro de 2012.

## Material

Caixas de papelão grande; Lã de vidro; Dois cabos de vassoura de madeira; Tira de borracha de câmara de ar; Chapa de metal; Cola plástica branca; Pregos finos; Dois metros de plástico incolor transparente grosso; 3m fio de nylon; 1 lata de tinta preta alta temperatura (spray secagem rápida);

Produzindo o forno solar

Na produção dos componentes do forno, seguimos passo a passo o manual sobre a construção do forno solar disponível em < http://www.seara.ufc.br/tintim/fisica/fornosolar/fornosolar00.htm>. Acesso em 21 de outubro de 2012. Cortamos as duas caixas de modo que a menor se encaixe na maior, com um espaço entre elas que será preenchido com lã de vidro. Forramos a caixa de dentro com papel alumínio e colocamos no fundo da caixa, a placa de alumínio pintada de com a tinta preta de alta temperatura. A tampa do forno é feita

com cabos de vassoura e o plástico esticado, e uma sobre tampa de plástico, criando o efeito estufa.

## Montagem do forno solar

A seguir listamos os passos para a montagem do forno solar. As Fig. 1 e 2 mostram o forno solar na sua forma final.

Produzir e montar os componentes do forno solar, como descrito no item anterior; O melhor horário para o funcionamento do forno é de 10 às 15 horas; Para melhor funcionamento do forno, devemos coloca-lo para esquentar antes do uso, quando ainda está sem as panelas; Determinar o local para a instalação do forno solar: quando apenas uma das paredes internas está com sombra, caso haja necessidade, mudamos o forno de posição durante o cozimento para que o sol sempre esteja incidindo no forno.

Figura 1 - Fotografia 1 - Forno solar em uso durante feira de cultura.

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Fonte: 'do autor'

Figura 2 - Fotografia 2 - Forno em uso, com torradas e pizza.Fonte: 'do autor'

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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 forno 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 física, 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 Alvarenga e Antônio Máximo (ALVARENGA, 2000).

Podemos demonstrar de forma prática, mostrando aos alunos como o forno funciona. Com o termômetro, abordamos o conceito de temperatura, medindo a temperatura dentro do forno. Para discutir como o forno funciona, 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 (c = 1cal/gºC) demora mais a ganhar e ceder calor do que a lã de vidro (c = 0,16cal/gºC), por exemplo? Então é uma boa hora para discutir o uso da lã de vidro, cuja função é impedir que ocorra troca de calor do forno com o meio.

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

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onde m é a massa da lã de vidro, c o seu calor específico e ∆T a diferença de temperatura entre a lã de vidro fria e quente.

É possível discutir com os alunos as três formas de transferência de calor usando o forno solar. Na superfície de alumínio que é um condutor, o fluxo de energia que chega à chapa será conduzido até a panela. Este, por sua vez, é transferido para o alimento, que é aquecido por condução e/ou convecção.

Usamos o plástico na tampa 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 externa, devido à radiação térmica. 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. Segundo 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 placa metálica seja pintada com tinta preta fosca. A radiância de um corpo negro pode ser quantificada por meio da relação de Stefan-Boltzmann:

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onde σ = 5,67 x 10 -8 Wm -2 K -4 é a constante de Stefan-Boltzmann, A a área do corpo 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 igual a 1,38 x 10 3 J (DUFFIE, 1991). A potência solar que atinge o solo terrestre é atenuada por vários fatores, entre eles podemos citar absorção e reflexão pela atmosfera, ângulo de elevação em relação ao Sol. Medidas globais anuais mostram que apenas 51% da radiação solar incidente na Terra e em sua atmosfera é absorvida 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 forno 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 forno solar é uma função da: Localidade em estudo (latitude geográfica); Época do ano; Hora do dia; Inclinação e orientação do forno.

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

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onde Qutil é o calor transferido para o alimento, Qinc é o calor incidente, G é radiação global e Aext é a área externa do forno (PEREIRA, 2002). Podemos consultar os dados de radiação global no site http://www.solarenergy.com.br/energia-solar/tabelaradiacao-solar/. Acesso em 21 de outubro de 2012, para obter uma estimativa 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 ideia mais quantitativa sobre o assunto. Usamos a latitude -15° 48' 09'' e a longitude -43° 18' 32'' de Janaúba/MG para obtermos a constante de radiação solar para esta região.

Ainda sobre a radiação global podemos discutir as suas componentes difusa e direta, muito importantes nesse estudo. A componente direta não sofre nenhuma reflexão em sua trajetória, enquanto que a componente difusa, antes de chegar a Terra, sofre diversas reflexões perdendo parte de sua energia. A radiação global é a soma dessas duas componentes (direta + difusa), e assim explica-se por que conseguimos o aquecimento do forno mesmo em 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°    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 = dias do ano variando de 1 a 365. Nessa abordagem, relativa aos movimentos da Terra e estações do ano, pode-se trabalhar de forma interdisciplinar com a geografia, enriquecendo ainda mais o tema.

A inclinação e orientação do forno são aspectos importantes, pois, como estamos no hemisfério sul, devemos orientar nosso forno para o norte geográfico e com inclinação igual à latitude do local (a inclinação mínima é de 20°, caso a latitude do local seja 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 forno solar podemos abordar diversos temas da Física no Ensino Médio. Apresentamos então uma pequena possibilidade de se tratar tais conteúdos usando um forno solar de baixo custo, sendo possível a inclusão de outras abordagens e métodos, que podem variar segundo a realidade de cada professor. A abordagem proposta foi desenvolvida em 8 aulas, das quais 2 foram usadas pelos alunos na construção do forno solar e as demais para os estudos e explicações e posterior uso do forno em uma feira de cultura proposta na escola.

## DADOS E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Para analisar o comportamento da temperatura do forno no ponto de consumo do alimento, foram feitas medidas da temperatura de aquecimento, em Janaúba/MG, durante parte da manhã e da tarde (de 10 às 15h) em dois dias consecutivos. A tabela abaixo mostra os resultados obtidos.

Tabela 1 - Dados coletados durante o uso do forno

Fonte: 'do autor'

Foram feitas medidas da temperatura dos alimentos em dois dias, os dados obtidos mostram que o forno solar é capaz de cozinhar os alimentos em um tempo relativamente bom dado as condições de seu funcionamento. Esse fato atesta o seu bom desempenho.

A partir dos dados obtidos, podemos calcular a razão entre a quantidade de energia absorvida pelos alimentos e a quantidade estimada de energia radiante incidente no forno. Essa razão é uma medida da eficiência total do nosso coletor.

Tabela 2 - Análise dos dados obtidos com o forno

Fonte: 'do autor'

Considerando o calor específico do pão = 0,70cal/gºC; do leite = 0,9 cal/gºC; do fermento = 0,7 cal/gºC e do presunto = 0,6cal/gºC obtidos no site http://www.isoquip.com.br/pdf/EXIGENCIA\_PARA\_ARMAZENAGEM.pdf. Acesso em 21 de outubro de 2012. A estimativa da quantidade de energia incidente no coletor é obtida pelo produto de G = 5,06kwh/m 2 dia = 2,11 x 10 2 J/m 2 .s pela área exposta do coletor Aext= 0,78 m 2 e pelo tempo total de exposição ao Sol. Assim, obtemos Qinc, lembrando que apenas 51% dessa radiação incidente é efetivamente absorvida na superfície da Terra.

## CONSIDERAÇÕES FINAIS

A construção e utilização de um forno 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, podemos discutir fontes alternativas de energia, com impactos ambientais menores. 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)

O forno solar que construímos para o nosso projeto tem um custo relativamente baixo e pode ser utilizado para o cozimento de alimentos em residências, como projetado originalmente por seu criador. Esse projeto foi idealizado para uma feira de cultura da Escola CEC-Diocesano em Janaúba/MG com alunos do 2º ano do Ensino Médio, durante o mês de outubro/2010.

Para efeito de avaliação da eficiência do forno solar, foram realizados testes com cozimento de pizza, torradas e bolo. As medições de temperatura foram realizadas com intervalo de 10 minutos, mas, foram extraídos os valores horários médios para cálculo do rendimento, uma vez que, não se dispunha de recurso para aquisição dos valores da radiação solar com intervalo menor de tempo.

## REFERÊNCIAS

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

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

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

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

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

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

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

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

SILVA, L.F. CARVALHO, L.M. 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, 2002.

VAREJÃO-SILVA, M. A. Meteorologia e climatologia . (INMET) Brasília: Stilo. Disponível em &lt;http://www.agritempo.gov.br/tmp/Meteorologia\_Climatologia.pdf&gt;, Acesso em 21 Out. 2012.