ROTEIROS EXPERIMENTAIS SOBRE OS EFEITOS SEEBECK …pos.cua.ufmt.br/ppgprofis/file/2017/08/Produto_Educacional_Clesio... · Lembre-se que o laboratório é sempre um lugar de trabalho

ROTEIROS EXPERIMENTAIS SOBRE

OS EFEITOS SEEBECK E PELTIER

Clésio Martins Silva

Produto educacional da dissertação de

Mestrado Nacional Profissional em Ensino de

Física, intitulada Implementação de Práticas

Experimentais sobre os Efeitos Seebeck e

Peltier em aulas de Física do Ensino Médio,

sob orientação da Profa. Dra. Rosângela Borges

Pereira, junto ao Programa de Pós-Graduação

da Universidade Federal do Mato Grosso

Barra do Garças, agosto de 2017

2

SUMÁRIO

1. APRESENTAÇÃO

2. INSTRUÇÕES PARA O TRABALHO EM LABORATÓRIO

3. ROTEIRO GERAL 1: APRESENTAÇÃO DO EFEITO SEEBECK

3.1. Experimento 1A – Apresentação do Efeito Seebeck com Cobre e

Alumínio

3.2. Experimento 1B – Apresentação do Efeito Seebeck com Cobre e

Arame Galvanizado

3.3. Experimento 1C – Apresentação do Efeito Seebeck com Chromel e

Alumel

3.4. Experimento 1D – Apresentação do Efeito Seebeck com Ferro e

Constantan

4. ROTEIRO GERAL 2 – CONSTRUÇÃO DE UM TERMOPAR

4.1. Experimento 2A – Construção de um Termopar com Cobre e Alumínio

4.2. Experimento 2B – Construção de um Termopar com Ferro e Constantan

4.3. Experimento 2C – Construção de um Termopar com Chromel e Alumel

4.4. Experimento 3 – Associação em série de Termopares

5. ROTEIRO GERAL 3 – CÉLULA PELTIER

5.1. Experimento 4 - Funcionamento básico de uma célula Peltier

5.2. Experimento 5 – Construção de uma Mini Geladeira utilizando uma

pastilha Peltier

3

APRESENTAÇÃO

Esta apostila trata de experimentos relacionados aos fenômenos

Seebeck e Peltier e algumas aplicações simples. É destinada, preferencialmente, a

alunos do 3º ano do Ensino médio.

Os experimentos foram propostos para maior compreensão de cada

fenômeno estudado nas aulas teóricas e, para maior aproveitamento devem ser

executados após aulas teóricas sobre os assuntos.

Além do enriquecimento na abordagem de conceitos ou fenômenos, as

aulas experimentais proporcionam um meio facilitador para o estudante construir

seu conhecimento e como motivação para entender aplicações das ciências e

engenharias.

Aqui estão incluídos roteiros experimentais detalhados sobre dez

experimentos, divididos em três grupos: conhecendo o efeito Seebeck, aplicação do

efeito Seebeck e aplicações do efeito Peltier.

Há dois roteiros gerais que dão instruções detalhadas sobre os materiais

e procedimentos a serem adotados nos experimentos a ele correlatos. Cada roteiro

é amplamente enriquecido com fotografias de experimentos prévios por nós

realizados e são compostos por: objetivos, procedimento experimental, dados

experimentais e análise dos resultados.

Pelo fato dos experimentos envolverem fogo e eletricidade optamos por

elaborar cada procedimento experimental com o maior detalhe possível e, no

laboratório, segui-los à risca para evitar acidentes.

Esperamos que esta apostila consiga atender as expectativas de

professores e os alunos, e contribua para a melhoria do ensino de Física, motivando

professores e alunos a buscarem cada vez mais a inserção de aulas experimentais

em suas práticas docentes.

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INSTRUÇÕES PARA O TRABALHO EM LABORATÓRIO

REGRAS DE SEGURANÇA

1. Lembre-se que o laboratório é sempre um lugar de trabalho sério.

2. Prepare-se para realizar cada experimento lendo antes a instrução correspondente

fornecida pelo seu professor. Siga as instruções inteligentemente e respeite

rigorosamente as precauções recomendadas. Consulte seu professor cada vez que

observar algo anormal ou imprevisto.

3. Faça apenas as experiências indicadas e aprovadas por seu professor.

4. Não toque os dedos nos produtos, a não ser que seu professor lhe diga que possa

fazê-lo.

5. Deixe qualquer peça de vidro quente esfriar durante bastante tempo. Lembre-se

de que o vidro quente tem a mesma aparência de vidro frio.

6. Tenha cuidado com materiais inflamáveis. Não trabalhar com inflamáveis

próximos a bicos de gás acesos ou qualquer outra chama.

7. Jogar sólidos na cesta destinada para isto.

8. Conservar limpo seu material e sua bancada.

9. Em caso de dúvida, consulte o professor.

ACIDENTES (NÃO TOME NENHUMA MEDIDA SEM ANTES

CONSULTAR SEU PROFESSOR)

1. Qualquer acidente deve ser comunicado imediatamente ao professor.

2. Corte ou ferimento deve ser desinfetado e coberto.

3. Queimadura pequena (leve) produzida por fogo ou material quente deverá ser

resfriada em água corrente e posteriormente o professor encaminhará ao

atendimento médico.

INSTRUÇÕES PARA A ELABORAÇÃO DOS QUESTIONÁRIOS

1. Cada aluno receberá um questionário.

2. Responda o questionário em equipe e o entregue ao professor no final da aula.

3. O questionário será corrigido e a devolutiva acontecerá no próximo encontro.

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A – ROTEIRO GERAL 1: APRESENTAÇÃO DO EFEITO SEEBECK

(para os experimentos de 1A a 1D)

OBJETIVOS

Observação do efeito Seebeck com junções construídas com fios de

diferentes ligas metálicas

Comparação da eficiência das diferentes ligas na produção do efeito

Seebeck

Quando for o caso, calcular o coeficiente Seebeck.

MATERIAIS UTILIZADOS

Fios e conectores

Fio 1 – 20 cm

Fio 2 – 20 cm

2 suportes universais

2 garras de jacarés duplas

Recipientes

2 béqueres de 100 ml;

Medidores

1 multímetro

2 termômetros

1 cronômetro

Ferramentas

furadeira

alicate

Material de consumo

Água quente (aquecida com aquecedor elétrico)

Água gelada com cubos de gelo

PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Importante:

Os procedimentos experimentais descritos a seguir deverão ser seguidos

durante a realização dos experimentos de 1A a 1D.

Os 4 experimentos só diferem entre si pela troca dos fios 1 e 2. Todo o resto

permanece inalterado

Quando estiver realizando um destes experimentos tenha em mãos o roteiro

daquele experimento para que possa preencher a tabela.

6

1ª ETAPA – LIGAÇÃO ENTRE OS FIOS

1. Unir os fios como indicado na Figura 1 (representação esquemática) e Figura 2

(fotografia real).

Figura 1. Esquema de Figura 2. Ligação entre os

ligação entre os fios 1 fios 1 e 2. Fonte: O autor

e 2. Fonte: Kakimoto,

2013.

2. Fixar os fios nos suportes deixando as junções em posição para serem inseridas

na água. Ver as Figuras 3 e 4.

Figura 3. Montagem do arranjo (visão Figura 4. Montagem do arranjo

(visão aérea). Fonte: O autor frontal). Fonte: O autor

2ª ETAPA – INSERÇÃO DAS JUNÇÕES NA ÁGUA

3. Insira um termômetro em cada béquer. Use fita crepe ou isolante para fixá-lo.

4. Posicione cada uma das junções dos fios dentro de um béquer.

Para facilitar futuras comparações, ligue sempre a extremidade

A ao terminal negativo do multímetro e a extremidade B ao

terminal positivo

- Fique atento à distinção

entre os fios 1 e 2.

- Una os fios fortemente

com o auxílio de um

alicate.

- Preferencialmente

“abra ao meio” um

pedaço de cada fio antes

de uni-los. A junção feita

assim é mais eficaz.

7

5. Coloque a escala do multímetro na posição de voltagem contínua e escolha a

menor escala possível (geralmente 200 mV para os multímetros comuns).

6. Conecte jacarés em cada uma das extremidades do fio 2, ligando o multímetro.

7. Coloque a água gelada em um béquer e a quente em outro.

8. A cada 60 s (marcados com o cronômetro) faça medições simultâneas: da

temperatura da água quente, da temperatura da água fria e da medição da

voltagem e registre os dados em uma tabela.

8

EXPERIMENTO 1A: APRESENTAÇÃO DO EFEITO SEEBECK COM

COBRE E ALUMÍNIO

FIO 1 – Cobre

FIO 2 – Alumínio

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Execute o procedimento experimental conforme instruções do roteiro geral 1.

DADOS EXPERIMENTAIS

Registre os dados experimentais na tabela abaixo.

TFria

(°C)

TQuente

(°C)

Voltagem

(mV)

T=TQ - Tf

(°C)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Medida 6

Medida 7

ANÁLISE DOS DADOS

1) Responda às perguntas de acordo com os dados experimentais.

a) O efeito Seebeck foi observado?

b) Com os dados observados como seria o gráfico de T versus V?

c) Com esses dados seria possível obter o coeficiente Seebeck? Explique.

d) Se você respondeu afirmativamente o item anterior, calcule o coeficiente

Seebeck da junção.

e) Compare o resultado do coeficiente Seebeck que obteve com os dados da

literatura.

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EXPERIMENTO 1B: APRESENTAÇÃO DO EFEITO SEEBECK COM

COBRE E ARAME GALVANIZADO

FIO 1 – Cobre

FIO 2 – Arame galvanizado



DADOS EXPERIEMNTAIS

Registre os dados experimentais na tabela a seguir.

TFria

(°C)

TQuente

(°C)

Voltagem

(mV)

T=TQ - Tf

(°C)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Medida 6

Medida 7

ANÁLISE DOS DADOS








literatura.

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EXPERIMENTO 1C – APRESENTAÇÃO DO EFEITO SEEBECK COM

CHROMEL E ALUMEL

FIO 1 – Chromel

FIO 2 – Alumel



DADOS EXPERIEMNTAIS


TFria

(°C)

TQuente

(°C)

Voltagem

(mV)

T=TQ - Tf

(°C)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Medida 6

Medida 7

ANÁLISE DOS DADOS








literatura.

11

EXPERIMENTO 1D: APRESENTAÇÃO DO EFEITO SEEBECK COM

FERRO E CONSTANTAN

FIO 1 – Ferro

FIO 2 – Constantan



DADOS EXPERIEMNTAIS


TFria

(°C)

TQuente

(°C)

Voltagem

(mV)

T=TQ - Tf

(°C)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Medida 6

Medida 7

ANÁLISE DOS DADOS








literatura.

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B. ROTEIRO GERAL 2: CONSTRUÇÃO DE UM TERMOPAR

(para os experimentos de 2A a 2C)

OBJETIVOS

Construção de um termopar

Observação do efeito Seebeck com junções construídas com fios de

diferentes ligas metálicas

Comparação da eficiência das diferentes ligas na produção do efeito

Seebeck

MATERIAIS UTLIZADOS

Fios e conectores

Fio A – 20 cm;

Fio B – 20 cm;

2 suportes universais;


Medidores

01 multímetro

02 termômetros

01 Cronômetro

Termômetro ou sensor de temperatura

Ferramentas e utensílios

Alicate

Lamparina

Isqueiro

Prendedor de madeira

Material de consumo

Álcool para lamparina


Importante:

Os procedimentos experimentais descritos a seguir deverão ser seguidos

durante a realização dos experimentos de 2A a 2C.

Os três experimentos só diferem entre si pela mudança nos fios 1 e 2. Todo

o resto permanece inalterado

Quando estiver realizando um dos três experimentos tenha em mãos o

roteiro daquele experimento para que possa preencher a tabela

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1. Una os fios A e B como indicado na Figura 5 (junção das ligas metálicas).

Obs.: Para unir os fios siga as instruções contidas no roteiro geral 1.

Figura 5. Junção das ligas metálicas. Fonte: O autor

2. MONTAGEM DO ARRANJO: Fixar os fios nos suportes deixando a junção em

posição para ser colocada em contato com a chama da lamparina. Ver a Figura

6 (montagem do arranjo).

Figura 6. Montagem do arranjo. Fonte: O autor

2ª ETAPA – INSERÇÃO DAS JUNÇÕES NO FOGO

1. Posicione a junção dos fios em contato com a chama da lamparina, de

acordo com a Figura 7 (arranjo).

Figura 7. Vista frontal do arranjo experimental. Fonte: O autor

14

3. Conecte ambas as extremidades do fio ao multímetro.


menor escala possível (geralmente 200 mV para os multímetros comuns);

5. Conecte jacarés em cada uma das extremidades do fio 2, ligando o multímetro.

6. Acenda a lamparina e aqueça a junção dos fios.

7. A cada 60 s (marcados com o cronômetro) faça medições da diferença de

potencial nas extremidades livres dos fios e registre os dados em uma tabela.

A Figura 8 (arranjo experimental) mostra uma fotografia do arranjo final

experimental.

Figura 8. Vista aérea do arranjo experimental. Fonte: O autor

Para facilitar futuras comparações, ligue sempre a extremidade A

ao terminal negativo do multímetro e a extremidade B ao terminal

positivo.

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EXPERIMENTO 2A: CONSTRUÇÃO DE UM TERMOPAR COM COBRE

E ALUMÍNIO

FIO 1 – cobre

FIO 2 – alumínio


Execute o procedimento experimental conforme instruções do roteiro único 2.

DADOS EXPERIMENTAIS


ANÁLISE DOS DADOS

Responda às perguntas de acordo com os dados experimentais.

a) Foi possível observar o efeito Seebeck na junção cobre/alumínio?

Explique.

b) De acordo com o experimento realizado, sabemos que o termômetro

não foi colocado em contato direto com a chama da lamparina, pois corria o

risco de perdermos os mesmos. Então, o sensor foi colocado bem próximo da

chama. Sendo, assim, há uma relação entre a ddp estabelecida nas extremidades

livre dos fios e a temperatura a que é submetida a junção?

Tempo ( s ) Temperatura

(°C)

Voltagem

(mV)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

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EXPERIMENTO 2B: CONSTRUÇÃO DE UM TERMOPAR COM FERRO

E CONSTANTAN

FIO 1 – ferro

FIO 2 – constantan



DADOS EXPERIMENTAIS


ANÁLISE DOS DADOS


a) Foi possível observar o efeito Seebeck na junção ferro/constantan? Explique

b) Comparando com a junção do experimento anterior, qual dos pares de liga

é mais eficiente para o efeito Seebeck? Justifique.


(°C)

Voltagem

(mV)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

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EXPERIMENTO 2C: CONSTRUÇÃO DE UM TERMOPAR COM

CHROMEL E ALUMEL

FIO 1 – chromel

FIO 2 – alumel



DADOS EXPERIMENTAIS


ANÁLISE DOS DADOS


a) Foi possível observar o efeito Seebeck na junção chromel/alumel? Explique.

b) Comparando com a junção do experimento anterior, qual dos pares de liga

é mais eficiente para o efeito Seebeck? Justifique.


(°C)

Voltagem

(mV)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

18

EXPERIMENTO 3: ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE DE TERMOPARES

OBJETIVOS

Construir uma associação em série de termopares

Observar o efeito resultante de se associar termopares em série

Comparar os resultados da tensão (mV) de um termopar simples com o da

associação em série.

MATERIAIS UTLIZADOS

Fios e conectores

Fio 1 – 20 cm

Fio 2 – 20 cm

2 suportes universais


Medidores

1 multímetro

1 cronômetro

02 termômetros ou sensores de temperatura


Alicate;

2 Lamparinas

Prendedor de madeira

Material de consumo

Álcool para lamparina



1. Faça duas junções, como o da Figura 5 (junção das ligas metálicas) do roteiro

anterior. Escolha o material mais eficiente entre os três pares trabalhados.

2. Una as duas montagens, em série, conforme indicado na Figura 9 (ligação em

série).

19

Figura 9. Ligação em série das duas montagens. Fonte: O autor.

2ª ETAPA – INSERÇÃO DAS JUNÇÕES NO FOGO

3. Posicione as duas junções em contato com a chama das lamparinas, conforme

indica a Figura 10 (arranjo experimental).

Figura 10. Vista aérea do arranjo experimental. Fonte: O autor.


menor escala possível (geralmente 200 mV para os multímetros comuns);

5. Conecte jacarés em cada uma das extremidades livres. Ligue o multímetro.

6. Acenda a lamparina e aqueça a junção dos fios.

7. A cada 60 s (marcados com o cronômetro) faça medições da diferença de

potencial e registre os dados em uma tabela.

DADOS EXPERIMENTAIS


20

ANÁLISE DOS DADOS

Responda à pergunta de acordo com os dados experimentais: Compare as

diferenças de potencial obtidas com a associação em série dos termopares com

as correspondentes a de um único termopar. Qual a conclusão?

Tempo ( s ) Voltagem

(mV)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

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EXPERIMENTO 4: FUNCIONAMENTO BÁSICO DE UMA CÉLULA

PELTIER

OBJETIVOS

Demonstrar o princípio de funcionamento da célula Peltier.

Resfriar e aquecer água em uma tampinha de refrigerante utilizando uma

célula Peltier.

MATERIAIS UTILIZADOS

Fios e conectores

1 célula Peltier

1 fonte 12V

1 pilha 1,5 V

Medidores

1 termômetro

1 cronômetro


1 tampinha de refrigerante (metal)

1 dissipador

1 vasilha ou 1 cooler

Pasta térmica

Material de consumo

Água para a vasilha caso não usar o cooler


1ª ETAPA – Gelar/congelar a água na tampinha

1. Conecte o cabo da célula Peltier nos polos da pilha de acordo com a Figura 11

Figura 11. Conexão do cabo da célula Peltier nos polos da pilha. Fonte: O autor.

22

2. Em seguida, passe a pasta térmica no dissipador e no lado quente da célula,

unindo-os (ver Figura 12) .

Figura 12. Célula Peltier, pasta térmica e dissipador. Fonte: O autor.

3. Pegue a tampinha, encha de água e coloque sobre o lado frio da célula de acordo

com o arranjo da Figura 13.

Figura 13. Arranjo da tampinha, célula Peltier, dissipador termômetro e fonte.

Fonte: O autor.

4. Conecte os terminais da célula à fonte de 12 V e ligue-a, como ilustra a Figura

14.

Figura 14. Montagem final do arranjo. Fonte: O autor.

5. A cada 60 s, registre as temperaturas da água na Tabela 1.

23

2ª ETAPA – Esquentar/derreter a água/gelo na tampinha

1. Separe a célula do dissipador, limpando a pasta térmica com papel toalha.

2. Passe a pasta térmica no lado frio da célula e deixe em contato com o dissipador.

Observação: Não há necessidade do uso do cooler.

3. Coloque a tampinha com água gelada/gelo em contato com a o lado quente da

célula.

4. A cada 60 s, registre as temperaturas da água na Tabela 2.

DADOS EXPERIMENTAIS

Registre os dados experimentais nas tabelas a seguir.

Tabela 1: Temperatura da água durante o processo de gelar/congelar a água

Tempo (s) Temperatura (°C)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

Tabela 2: Temperatura da água durante o processo de esquentar/derreter a água

Tempo (s) Temperatura (°C)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Medida 4

Medida 5

ANÁLISE DOS DADOS


a) Qual a temperatura mínima registrada em seu experimento? Qual o tempo

gasto para alcançá-la?

b) Qual a temperatura máxima registrada em seu experimento? Qual o tempo

gasto para alcançá-la

c) Qual a consequência de não se utilizar dissipadores no experimento?

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EXPERIMENTO 5: CONSTRUÇÃO DE UMA MINI GELADEIRA

UTILIZANDO UMA PASTILHA PELTIER

OBJETIVOS

Construir uma mini geladeira USB utilizando uma pastilha Peltier;

Verificar o efeito Peltier.

MATERIAIS UTLIZADOS

1 cabo USB comum

Pastilha Peltier

Caixa de isopor

Pasta térmica

2 dissipadores de calor (pode ser também os que acompanham a CPU)

Fios de cobre

1 pedaço de acrílico ou similar de 15 cm x 20 cm

Cola quente

Tesoura

Estilete

Alicate

Lápis ou caneta

Régua

Fonte de 12 V


CONSTRUÇÃO DA GELADEIRA

1) Para construir a porta da geladeira, faça um recorte no centro da tampa de

cerca de 15 cm x 20 cm e encaixe o acrílico ou vidro. Ver figura 15 (porta

da geladeira).

Figura 15. Porta da

geladeira com visor

(vidro/acrílico).

Fonte: O autor

25

2) Prenda, com fita adesiva ou crepe a lateral da tampa à caixa, para criar uma

dobradiça. Ver Figura 16 (porta da geladeira).

PREPARAÇÃO DA PASTILHA

3) Cortar a capa do cabo USB.

4) Dentro do cabo existem 4 fios coloridos. Separe o preto e o vermelho, de

acordo com a Figura 17.

5) De acordo com a Figura 18 (conexão: cabo USB com a pastilha Peltier),

conectar os fios do cabo USB aos fios da pastilha Peltier (conecte os fios de

mesma cor).

Figura 16. Porta da

geladeira presa com

fita (dobradiça).

Fonte: O autor

Figura 17. Separação

dos fios do cabo USB.

Fonte: O autor

Figura 18. Conexão

dos fios do cabo USB

com a pastilha Peltier.

Fonte: O autor

26

6) Cole a pastilha entre os dois dissipadores, segue a Figura 19 (Colar pastilha

nos dissipadores).

7) Prenda os dois dissipadores com os arames conforme a Figura 20 (amarrar

os dissipadores) para que não se movam.

8) Com base na Figura 21 (dissipador na base da caixa, contornando-o e

cortando com estilete), com a caixa de isopor na posição vertical, centralize

os dissipadores na base da caixa e recorte o fundo com estilete.

Figura 19. Colagem da

pastilha com os dissipadores.

Fonte: O autor

Figura 20. Amarrar os

dissipadores com os arames.

Fonte: O autor

Figura 21. Centralizar o

dissipador na base da

caixa, contornando e

cortando com estilete.

Fonte: O autor

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9) Encaixe o dissipador, deixando a parte fria da pastilha dentro da caixa e a

parte quente do lado de fora. Use cola quente para fazer a fixação. Ver

Figura 22 (Centralizar o dissipador na base da caixa e colar com cola

quente).

10) Não deixe o dissipador em contato direto com a mesa, pois o calor pode

danificá-la. Deixe-lo sobre uma outra caixa. Veja Figura 23 (Dissipador na

base de outra caixa).

11) Insira o sensor de temperatura dentro da geladeira, fixando-o em algum

local conveniente. Veja Figura 24 (sensor de temperatura interno.)

Figura 22. Centralizar o

dissipador na base da

caixa e colar com cola

quente. Fonte: O autor

Figura 23. Dissipador

na base de outra caixa.

Fonte: O autor

28

12) De acordo com a Figura 25 (Conexão do cabo USB na fonte), conecte o

cabo USB a um computador ou a uma fonte de 12 V para ligar a geladeira.

Agora que a geladeira está pronta, registre na Tabela 2, em intervalos de

tempos, a temperatura interna.

Figura 25. Conectar o

cabo USB na fonte.

Fonte: O autor

Figura 24. Sensor de

temperatura interno.

Fonte: O autor

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DADOS EXPERIMENTAIS

Tabela 1. Temperatura interna em alguns instantes de tempo

Tempo (min) Temperatura (°C)

Medida 1 1 min

Medida 2 2 min

Medida 3 3 min

Medida 4 4 min

Medida 5 5 min

ANÁLISE DOS DADOS


a) Posso utilizar mais de uma pastilha Peltier? O que aconteceria neste caso?

b) Que tipo de alimentação foi utilizada, DC ou AC?

c) Quero resfriar a mini geladeira à 0 °C. Quanto dessas pastilhas devo

utilizar?

d) O dissipador de calor é um opcional no meu sistema?

e) O que fazer quando há umidade presente no sistema?

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