Calcule a área útil das placas de energia solar de um sistema de aquecimento de água, para uma residência com quatro moradores, visando manter um acréscimo médio de em relação à temperatura ambiente. Considere que cada pessoa gasta litros de água quente por dia e que, na latitude geográfica da residência, a conversão média mensal de energia é de por metro quadrado de superfície coletora. Considere ainda que o reservatório de água quente com capacidade para litros apresente uma perda de energia de por mês para cada litro.

calor específico da água $c = 4{,}19\text{ J/g }^\circ\text{C}$

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ITA IIT 01/03/2023, 19:50
A priori, comecemos por passar as unidades $\pu{kWh}$ para $\pu{kJ}$, nesse sentido, nota-se que:\begin{matrix} 1 \ \pu{kWh} = 3600 \ \pu{kJ} \end{matrix}Ou seja,\begin{matrix} \text{Conversão média:} & I = (60 \cdot 3600) \ \pu{kJ/mês m^2} \\ \text{Perda de Energia:} & P = (0,3 \cdot 3600) \ \pu{kJ/mês L} \end{matrix}Veja que por conveniência a ideia aqui é usar o mês como referencial, calcular quanta energia é perdida e se despende para os moradores, e por fim encontrar a área pela "conversão média". (O que não é nada além de uma intensidade). Nesse sentido, comecemos pelo mais simples, calcular quanta energia é perdida, isso é o mesmo que:\begin{matrix} E_{perdida} = 200 \cdot P &\therefore& E_{perdida} = 216 \cdot 10^3 \ \pu{kJ/mês} \end{matrix}Agora, vejamos a energia consumida para o benefício dos moradores, lembre-se que são quatro integrantes na residência, ou seja, o consumo total num mês é:\begin{matrix} \text{Consumo}: & m = 4 \times \left( \dfrac{30 \ \pu{L}}{1 \ \pu{dia}}\right) \cdot 30 \ \pu{dias} \end{matrix}Consequentemente, num período de um único mês, a residência consome $3600 \ \pu{L}$. Assim, com conhecimento da equação fundamental da calorimetria, para um mês, têm-se:\begin{matrix} E_{moradores} = m \cdot c \cdot \Delta T \end{matrix}\begin{matrix} E_{moradores} = 3600 \cdot (4,19\times 10^3) \cdot 30 \end{matrix}\begin{matrix} E_{moradores} = 452,520 \cdot 10^3 \ \pu{kJ/mês} \end{matrix}Com isso, já sabemos quanta energia é despendida num mês, assim, conforme conversão média:\begin{matrix} \dfrac{E_{perdida} + E_{moradores} }{\text{Área}} = 216 \cdot 10^4 \ \pu{kJ/mês m^2} \end{matrix}Portanto,\begin{matrix} \text{Área} = \dfrac{ 216 \cdot 10^3 + 452,520 \cdot 10^3 }{216 \cdot 10^4 } \approx 3,1 \ \pu{m^2} \ \ \tiny{\blacksquare} \end{matrix}
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