O documento discute o software Energy2D, que simula transferência de calor através de condução, convecção e radiação. Ele pode ser usado para explorar conceitos de ciências como equilíbrio térmico entre objetos e como a estrutura de um objeto afeta sua taxa de perda de calor. O documento fornece exemplos de simulações possíveis com links e explicações dos fenômenos modelados.

1. O uso de tecnologias digitais para a abordagem
do tema Energia: enfoque interdisciplinar para o
ensino de Ciências da Natureza
Canoas, 17 e 18 de outubro de 2018
Mestrandos: Ticiane da Rosa Osório
Vitor Garcia Stoll
Acadêmico: Uilson de Vargas Tuiuti
Orientador: Prof. Dr. Márcio Marques Martins
http://digichem.org

2. Energy2D
O que é?
É um programa de simulação multifísica interativo e visual
que modela todos os três modos de transferência de calor -
condução, convecção e radiação - e seu acoplamento à
dinâmica de partículas .
Além da transferência de calor, o trabalho também está em
andamento para incorporar outros tipos de transformações
de energia.

3. Energy2D
Qual é o objetivo geral?
Energy2D é um sistema versátil de engenharia assistida
por computador para explorar e aprender ciência e
engenharia por meio de experimentação, investigação e
projeto virtuais.
Portanto, a capacidade de criar simulações científicas
complexas e precisas de fenômenos naturais e problemas
de engenharia é o objetivo mais importante do Energy2D.

4. Energy2D
Acesso pelo link: <http://energy.concord.org/energy2d/>

5. Energy2D
Possibilidades de abordagem do software

6. Calor e Temperatura
Equilíbrio Térmico entre objetos idênticos
https://youtu.be/K0ILzYZC9pQ

7. Calor e Temperatura
Eq. Term. entre objetos com calores específicos diferentes
https://youtu.be/blxb_1L3Nec

8. Calor e Temperatura
Eq. Term. entre objetos com densidades diferentes
https://youtu.be/ulHr1wMlxJ0

9. Calor e Temperatura
Efeito da condutividade térmica na velocidade de
equilibração térmica
https://youtu.be/J3Las-hyjpk

10. Calor e Temperatura
Paralelos com a Biologia - Equilíbrio térmico entre duas
placas de Petri
https://youtu.be/VuFkMrQvbSM

11. Calor e Temperatura
Princípio zero da termodinâmica
https://youtu.be/qSzjJJTBEvk

12. Energy2D
https://youtu.be/sjOtcmrQ5wA

13. Energy2D
O que acontece?
A condução térmica depende do material de que um determinado
objeto é feito. Os materiais que diminuem o fluxo de calor entre os
corpos, impedindo que o calor entre ou saia de um corpo, são
denominados isolantes térmicos, como é o caso da madeira,
plástico, isopor, lã, entre outros. Já os materiais que transmitem
facilmente calor de um corpo para o outro são considerados bons
condutores térmicos, e os melhores exemplos desse tipo de
material são os metais, que, por isso, são utilizados na confecção
de panelas, ferros de passar, etc.

14. Energy2D
SOBRE A SIMULAÇÃO:
Ao executar a simulação observamos que a escala de
cores vai mudando ao longo da extremidade nas duas
colheres (mas de forma diferente de uma colher para a
outra), pois uma é isolante térmico e a outra,
condutor térmico.

15. Energy2D
https://youtu.be/YSjPfupoFFY

16. Energy2D
O que acontece?
A convecção é um processo caracterizado pelo movimento de
massas de um fluido e tem sua origem nas diferenças de densidade
no interior do fluido provocadas, especialmente, por meio de calor.
Nesta simulação, a parte aquecida do fluido, menos densa, se
expande e tende a movimentar-se de forma ascendente (subir)
enquanto a parte fria, mais densa, tende a descer para a parte
inferior do líquido. Esse movimento das camadas quente e fria do
líquido é denominado corrente de massa ou corrente de convecção.

17. Energy2D
SOBRE A SIMULAÇÃO:
Ao executar a simulação observamos, através do recurso
de cores, a formação das correntes de convecção, devido
à diferença de temperatura nas camadas de ar, bem como
o sentido desta movimentação, destacando que o ar frio
desce e o quente sobe.

18. Energy2D
https://youtu.be/uEzV6Jh7FJE

19. Energy2D
https://youtu.be/_ZCFjoEjhSM

20. Energy2D
O que acontece?
O processo de combustão lera calor, o qual expande o ar no
entorno da lareira e cria uma corrente de ar ascendente.
Essa corrente cria uma diferença de pressão que “suga o ar
aquecido” da sala para o exterior da chaminé. Através das
rachaduras, ar frio penetra na casa.
Isso é chamado de efeito pilha.
Enquanto você recebe o calor por radiação da lareira, você perde
calor para o exterior em ritmo mais rápido através da convecção

21. Energy2D
SOBRE A CASA:
A casa é mantida aquecida por uma placa de aquecimento
no piso. Esta placa é controlada por um termostato, cujo
sensor de temperatura está posicionado no meio da casa.
Algumas rachaduras foram propositalmente criadas na
parede do lado direito para permitir a entrada do ar frio
externo à casa.
Os tamanhos foram exagerados nesta simulação.

22. Energy2D
A Figura expõe os ciclos de
trabalho da placa de
aquecimento no período duas
horas quando a casa foi
aquecida de 0 °C a 20 °C.
Uma corrida de aquecimento é
um segmento da curva de
temperatura quando
aumentada, indicando que a
casa está sendo aquecida.
A diferença está nas durações das execuções de resfriamento.
Uma casa mais frágil tende a ter menos resfriamento, pois perde
energia mais rapidamente. 15 ciclos de aquecimento registrados

23. Energy2D
A Figura mostra o caso em que não há fogo na lareira, pois a
porta esta fechada. 13 ciclos de aquecimento registrados.
Neste caso para manter a
casa a 20ºC você realmente
precisa gastar um pouco
mais com sua conta de
Energia quando a lareira
estiver acesa. Isto é, meio
que contra intuitivo, mas
pode ser verdade.
Principalmente me casas
grandes e frias.

24. Energy2D
Como sabemos que o
aumento da perda de Energia
é devido as rachaduras?
Podemos empurrar a janela da
parede a direita para fechar as
lacunas.
Repetir a simulação mostra que apenas 11 ciclos de aquecimento
são registrado, demonstrando que as execuções de resfriamento
duraram mais. Indicando que a taxa de perda de calor diminuiu.

25. Energy2D
Energia
Calor
Variação da
Temperatura
Condução;
Convecção;
Irradiação.
Escalas
termométricas:
Kelvin, Celsius e
Farenheit
form
ade1º Lei da
Termodinãmica
Calor latente;
Calor
específico;
Capacidade
térmica.
Energia interna

26. Obrigado pelas boas energias!