Transferência de calor por convecção (com exemplos) - Ciência - 2023

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o transferência de calor por convecção Ela ocorre por meio do movimento de um fluido, que pode ser um gás ou um líquido. À medida que a densidade diminui com o aumento da temperatura, as massas de fluido mais quentes aumentam, enquanto as porções mais frias diminuem. Desta forma, ocorre um movimento de massa de fluido, através do qual o calor é transportado de um lado para o outro.

Essa é a característica que distingue a convecção da condução e da radiação, pois na convecção sempre há um deslocamento líquido de massas. Por outro lado, a radiação não precisa de um meio material para se propagar e quanto à transmissão por condução, deve-se a colisões sucessivas entre átomos e moléculas, sem movimento líquido da matéria.

No entanto, nos níveis da atmosfera e do oceano, é fácil para grandes massas de ar e água se deslocarem. É por isso que a convecção é o mecanismo de transferência de energia predominante nesses meios e é o que em grande parte determina o clima da Terra.

Em uma cozinha doméstica, você pode ver os mecanismos de transferência de calor de perto. Basta colocar água para aquecer em uma panela. A porção do fluido que está mais próxima da chama do queimador aquece, sua densidade diminui e ele sobe. Seu lugar é ocupado pela água mais fria, que desce para o fundo da panela.

Tipos de convecção

Quando uma parte do fluido é aquecida, suas moléculas se movem mais rapidamente e se distanciam umas das outras. Por esta razão, o fluido a uma temperatura mais elevada torna-se menos denso e pode subir por flotação, levando consigo o calor.

Então, uma massa de fluido mais fria toma o lugar deixado por essas moléculas ascendentes e essa troca contínua gera os chamados correntes de convecção.

Isso pode ser alcançado de duas maneiras: por convecção natural (livre) ou por convecção forçada. Além disso, ambas as formas de convecção estão presentes em sistemas de aquecimento central ou em usinas de energia solar.

O que cada um consiste é explicado a seguir:

Convecção natural e forçada

Nesse mecanismo, o calor flui apenas porque a diferença de temperatura do fluido em questão, na presença da gravidade da Terra, produz uma mudança na densidade, que faz com que a parte mais quente flutue para cima e as partes mais frias descam. Sem gravidade não há convecção natural.

Há um experimento simples em laboratório que permite visualizar essas correntes convectivas naturais à medida que se formam na água.

É necessário um tubo de vidro dobrado em uma forma quadrada ou retangular e um corante que torne as correntes ascendentes visíveis. Geralmente é permanganato de potássio, que torna a água roxa ou gotas de algum tipo de tinta.

Agora um dos cantos inferiores do tubo é aquecido e a densidade da porção de água logo acima da chama diminui e aumenta, sendo substituída por uma porção de água mais fria.

Esse processo de troca contínua entre a água quente e fria gera uma corrente de convecção no sentido anti-horário, que é observada graças ao corante violeta, conforme mostrado na figura acima.

O fluido também pode ser forçado a circular para transmitir calor, em vez de permitir que correntes de convecção ocorram naturalmente devido à diferença de densidades.

Quando a convecção ocorre graças a meios externos que impulsionam o fluido, como um ventilador ou uma bomba, é uma convecção forçada. O fluido pode ser forçado a fluir por uma tubulação, como nos sistemas de aquecimento central de casas, no radiador de um carro ou em um espaço mais aberto, graças a uma pá de ventilador.

Exemplos de transferência de calor por convecção

Sistemas de aquecimento central

O sistema de aquecimento central de uma casa faz uso da transferência de calor por convecção na água.

Para isso, a água quente deve ser circulada por meio de tubulações sob o piso, de uma caldeira central. Desta forma, a água transfere calor para os radiadores ou aquecedores e destes o calor passa para as divisões, enquanto a água fria volta novamente para a caldeira de aquecimento para repetir o ciclo.

Como você pode ver, tanto a convecção natural quanto a forçada estão presentes no mecanismo de aquecimento central.

Radiadores, fogões e lareiras

Fontes de calor, como radiadores, aquecem o ar ao seu redor e ele sobe, enquanto o ar do topo desce, gerando correntes de ar convectivas na sala aquecida.

Cozinhe: ferva e frite

Cada vez que o alimento é fervido em água ou embebido em óleo para fritar, ele é cozido por calor transferido por convecção.

Na pasteurização, o leite e outros alimentos líquidos são aquecidos a altas temperaturas por determinados períodos de tempo, dependendo da variante de pasteurização usada. Isso é feito com o objetivo de eliminar bactérias e aumentar a durabilidade do produto.

A convecção é o principal mecanismo de transferência de calor nesses casos, embora outros mecanismos, como a condução, não sejam excluídos.

O vento

As correntes de convecção na atmosfera causam os ventos. Essas correntes são formadas devido a muitos fatores, incluindo o fato de que a superfície da Terra aquece de maneira desigual.

Por exemplo, durante o dia a praia aquece mais do que a água do mar, então a flutuabilidade faz com que o ar acima da praia suba e o ar mais frio, vindo do mar, tome o seu lugar.

Mas à noite o processo acontece ao contrário, já que a praia perde calor mais rápido que a água e o ar mais quente é direcionado para o mar. É por isso que em um incêndio noturno na praia, a fumaça se move em direção ao mar, enquanto se o fogo é feito durante o dia, a fumaça se move em direção à terra.

Campo magnético da terra

A Terra é composta de camadas e o núcleo tem uma camada externa de alta temperatura que não é solidificada. O movimento do planeta cria correntes de convecção neste fluido, que se acredita serem responsáveis pelo campo magnético da Terra.

Os campos magnéticos são devidos à presença de cargas elétricas em movimento. Os íons e partículas carregadas presentes no núcleo externo são capazes de gerar este campo, uma vez que os movimentos planetários fazem com que essas partículas se comportem de forma semelhante a pequenos loops de corrente (circuitos fechados).

Os cientistas descobriram uma correlação entre a intensidade do campo magnético e a velocidade de rotação do planeta. Acredita-se que o campo magnético fraco de Vênus seja devido a sua velocidade de rotação ser mais lenta do que a de Júpiter, cujo campo magnético é muito mais forte.

Referências

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