Convecção: características, exemplos, aplicações - Ciência - 2023

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o convecção é um dos três mecanismos pelos quais o calor é transferido de uma área mais quente para outra mais fria. Isso ocorre devido ao movimento da massa de um fluido, que pode ser um líquido ou um gás. Em qualquer caso, um meio material é sempre necessário para que esse mecanismo ocorra.

Quanto mais rápido for o movimento do fluido em questão, mais rápida será a transferência de energia térmica entre zonas de diferentes temperaturas. Isso acontece continuamente com as massas de ar atmosféricas: a flutuabilidade garante que as mais quentes e menos densas subam enquanto as mais frias e mais densas descem.

Exemplo disso é a sala fechada da imagem, que é imediatamente resfriada assim que as portas ou janelas são abertas, já que o ar quente de dentro escapa mesmo pelas fendas, dando lugar ao ar fresco de fora que permanece mais baixa.

Tipos de convecção

Convecção natural e forçada

A convecção pode ser natural ou forçada. No primeiro caso, o fluido movimenta-se sozinho, como ao abrir a porta da sala, enquanto no segundo é forçado por um ventilador ou uma bomba, por exemplo.

Difusão e advecção

Também pode haver duas variantes: difusão Y advecção. Na difusão, as moléculas do fluido se movem mais ou menos aleatoriamente e a transferência de calor é lenta.

Por outro lado, na advecção, uma boa quantidade de massa de fluido se move, o que pode ser conseguido forçando a convecção com um ventilador, por exemplo. Mas a vantagem da advecção é que ela é muito mais rápida do que a difusão.

¿Como o calor é transferido por convecção?

Um modelo matemático simples de transferência de calor por convecção é a lei do resfriamento de Newton. Considere uma superfície quente da área A, cercada por ar mais frio, de forma que a diferença de temperatura seja pequena.

Chamemos o calor transferido de Q e o tempo t. A taxa na qual o calor é transferido é dQ / dt ou derivada da função Q (t) com respeito ao tempo.

Como o calor é energia térmica, suas unidades no Sistema Internacional são joules (J), portanto a taxa de transferência vem em joules / segundo, que são watts ou watts (W).

Esta taxa é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o objeto quente e o meio, denotada como ΔT e também para a área de superfície PARA do objeto:

ΔT = Temperatura na superfície do objeto - Temperatura longe do objeto

A constante de proporcionalidade é chamada h, que é o coeficiente de transferência de calor por convecção e é determinado experimentalmente. Suas unidades no Sistema Internacional (SI) são W / m². K, mas é comum encontrá-lo em graus Celsius ou centígrados.

É importante notar que este coeficiente não é uma propriedade do fluido, pois depende de diversas variáveis, como a geometria da superfície, a velocidade do fluido e outras características.

Combinando todos os itens acima, matematicamente a lei de resfriamento de Newton assume esta forma:

dQ / dt = hA ΔT

Aplicação da lei de resfriamento de Newton

Uma pessoa fica no meio de uma sala a 20 ° C, através da qual sopra uma leve brisa. Qual é a taxa de calor que a pessoa transmite ao meio ambiente por convecção? Suponha que a área de superfície exposta seja de 1,6 m² e a temperatura da superfície da pele é de 29 ºC.

Facto: o coeficiente de transferência de calor por convecção, neste caso, é 6 W / m². ºC

Solução

A pessoa pode transmitir calor para o ar ao seu redor, pois ele está em movimento quando sopra a brisa. Para encontrar a taxa de transferência dQ / dt, basta inserir os valores na equação de Newton para resfriamento:

dQ / dt = 6 W / m². ºC x 1,6 m² x (29 ° C - 20 ° C) = 86,4 W.

Exemplos de convecção

Aqueça suas mãos em uma fogueira

É comum aquecer as mãos levando-as para perto do fogo ou de uma torradeira quente, pois o ar ao redor da fonte de calor, por sua vez, aquece e se expande, aumentando porque é menos denso. À medida que circula, esse ar quente envolve e aquece suas mãos.

Fluxo de ar na costa

Na costa, o mar é mais frio que a terra, então o ar acima da terra se aquece e sobe, enquanto o ar mais frio chega e se acomoda no espaço deixado por este outro ao subir.

Isso é chamado célula de convecção e é por isso que fica mais frio ao olhar o mar e a brisa soprando no rosto em um dia quente. À noite acontece o contrário, a brisa fresca vem de terra.

O ciclo da Agua

A convecção natural ocorre no ar das costas oceânicas, através do ciclo hidrológico, no qual a água é aquecida e evaporada graças à radiação solar. O vapor de água assim formado sobe, esfria e condensa em nuvens, cujas massas aumentam e sobem por convecção.

Ao aumentar o tamanho das gotas de água, chega um momento em que a água precipita na forma de chuva sólida ou líquida, dependendo da temperatura.

Ferva a água em um recipiente

Quando a água é colocada na chaleira ou panela, as camadas mais próximas do fundo são aquecidas primeiro, pois a chama ou o calor do queimador estão mais próximos. Então a água se expande e sua densidade diminui, portanto ela sobe e a água mais fria toma seu lugar no fundo do recipiente.

Desta forma, todas as camadas circulam rapidamente e todo o corpo de água se aquece. Este é um bom exemplo de advecção.

Geração de vento

A convecção nas massas de ar, junto com o movimento rotacional da Terra, produz ventos, pois o ar frio se move e circula sob o ar quente, criando várias correntes chamadas correntes de convecção.

correntes oceânicas

A água se comporta de maneira semelhante ao comportamento do ar na atmosfera. As águas mais quentes estão quase sempre próximas da superfície, enquanto as águas mais frias são mais profundas.

Efeito dínamo

Ocorre no núcleo derretido dentro do planeta, onde se combina com o movimento rotacional da Terra, gerando correntes elétricas que dão origem ao campo magnético terrestre.

Transmissão de energia dentro das estrelas

Estrelas como o Sol são enormes esferas de gás. A convecção é um mecanismo de transporte de energia eficiente lá, uma vez que as moléculas gasosas têm liberdade suficiente para se mover entre áreas do interior das estrelas.

Aplicações de convecção

ar condicionado

O ar condicionado é colocado próximo ao teto das salas, para que o ar resfriado, que é mais denso, desça e esfrie próximo ao chão rapidamente.

Trocadores de calor

É um dispositivo que permite a transmissão de calor de um fluido para outro e é o princípio de funcionamento dos condicionadores de ar e dos mecanismos de refrigeração do motor de automóvel, por exemplo.

Isoladores térmicos em edifícios

Eles são feitos combinando folhas de material isolante e adicionando bolhas de ar em seu interior.

Torres de refrigeração

Também chamadas de torres de resfriamento, elas servem para descartar o calor produzido por usinas nucleares, refinarias de petróleo e outras instalações industriais diversas no ar, em vez de no solo ou na água.

Referências

Giambattista, A. 2010. Física. 2ª Ed. McGraw Hill.
Gómez, E. Condução, convecção e radiação. Recuperado de: eltamiz.com.
Natahenao. Aplicações de calor. Recuperado de: natahenao.wordpress.com.
Serway, R. Physics for Science and Engineering. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
Wikipedia. Convecção. Recuperado de: en.wikipedia.org.
Wikipedia. Térmica de convecção. Recuperado de: fr.wikipedia.org.