Simulado FUVEST 2027 — questão 22 de Física

Gabarito BFísica moderna — energia dos fótonsSimulado 1ª ed. · Caderno S1
Enunciado — imagem da prova
Enunciado da questão 22 de Física do Simulado FUVEST 2027

Enunciado em texto

A produção de energia a partir de fontes renováveis continua a crescer no mundo todo. De acordo com estimativas da Agência Internacional de Energia, 450 GW de nova energia verde seriam instalados em todo o mundo até o final de 2023, dos quais dois terços seriam provenientes de sistemas fotovoltaicos. Esses sistemas funcionam com os módulos fotovoltaicos que convertem a energia recebida do sol em energia elétrica.

A radiação solar direta que atinge a superfície da Terra, em um dia claro ao meio-dia, contém um fluxo de aproximadamente 3,0×10²¹ fótons por segundo por metro quadrado. O comprimento de onda dominante dessa radiação está em torno de 550 nanômetros (nm).

Considere um painel fotovoltaico com área de 2,0 m² sob incidência de radiação solar. A eficiência quântica do dispositivo, definida como a razão entre o número de elétrons coletados e o número de fótons incidentes, é de 20%. Qual é a potência elétrica aproximada gerada e como essa eficiência impacta o desempenho do sistema?

(A) Exatamente igual a 432 W. A eficiência de 20% significa que um quinto da energia luminosa total é convertida diretamente em eletricidade, sem perdas de calor.

(B) No máximo igual a 432 W. Apenas 20% dos fótons geram elétrons. Parte da energia de cada fóton é dissipada e transformada em calor, aquecendo o painel.

(C) Exatamente igual a 2160 W. De acordo com a lei da conservação de energia, toda a luz que atinge o painel deve ser transformada em eletricidade para ser usada na casa.

(D) Menor que 2160 W. A eficiência de 20% aplica-se apenas à metade do painel que está diretamente voltada para o sol ao meio-dia.

(E) Exatamente igual a 0 W. O efeito fotovoltaico somente funciona em laboratórios com luzes especiais (lasers) e não pode ser produzido pela luz do sol comum. Note e adote: Cada fóton tem energia diretamente proporcional ao produto da constante de Planck (ℎ) pela velocidade da luz (c) e inversamente proporcional ao comprimento de onda da luz (λ), ou seja, E= ℎc/λ. Constante de Planck: ℎ = 6,6 10Js Velocidade da luz: c = 3,0 10ms ⁄ Potência é definida como a quantidade de energia por intervalo de tempo, isto é, P E/∆t

Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à FUVEST.

Resolução comentada

O que a questão pede: a máxima potência elétrica que o painel de 2,0 m² consegue gerar.

Passo 1 — fótons que chegam por segundo: são 3,0×10213{,}0\times10^{21} por m². Em 2,0 m²: 3,0×1021×2,0=6,0×10213{,}0\times10^{21}\times2{,}0=6{,}0\times10^{21} fótons por segundo.

Passo 2 — energia de cada fóton: E=hcλ=6,6×10−34⋅3,0×108550×10−9≈3,6×10−19 JE=\dfrac{hc}{\lambda}=\dfrac{6{,}6\times10^{-34}\cdot 3{,}0\times10^{8}}{550\times10^{-9}}\approx 3{,}6\times10^{-19}\ \text{J}.

Passo 3 — potência de luz que chega: 6,0×1021×3,6×10−19≈2160 W6{,}0\times10^{21}\times 3{,}6\times10^{-19}\approx 2160\ \text{W}.

Passo 4 — só 20% viram eletricidade (eficiência quântica): no máximo 0,20×2160=432 W0{,}20\times2160=432\ \text{W}. E é um teto, porque parte da energia de cada fóton ainda vira calor, aquecendo o painel.

Resposta: alternativa B.

Resolução em vídeo

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