CONVECÇÃO: CARACTERÍSTICAS, EXEMPLOS, APLICAÇÕES - FISICA - 2025

A convecção é um dos três mecanismos pelos quais o calor é transferido de uma zona para outra mais quente. 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.

Figura 1. Uma sala é resfriada abrindo-se a porta, já que o ar quente (seta vermelha) e menos denso sobe e escapa dela. Fonte: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Um 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 frestas, dando lugar ao ar fresco de fora que permanece mais baixa.

Tipos de convecção

Convecção natural e forçada

Figura 2. Exemplos de convecção forçada e convecção natural. Fonte: Cengel, Y. Thermodynamics.

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 e advecção. Na difusão, as moléculas do fluido se movem mais ou menos aleatoriamente e a transmissão de calor é lenta.

Em contraste, a advecção move uma boa quantidade de massa de fluido, 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.

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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 à área de superfície A do objeto:

A constante de proporcionalidade é chamada h, que é o coeficiente de transferência de calor por convecção e é determinada experimentalmente. Suas unidades no Sistema Internacional (SI) são W / m ². 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:

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 exposta da superfície seja de 1,6 m ² e a temperatura da superfície da pele seja de 29 ºC.

Fato: o coeficiente de transferência de calor de convecção neste caso é 6 W / m ². 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 / m ². ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W.

Exemplos de convecção

Aqueça suas mãos em uma fogueira

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

Figura 3. Uma forma de aquecer as mãos é por meio da corrente de convecção criada no ar pelo fogo. Fonte: Pxfuel.

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 de célula de convecção e é a razão pela qual parece mais frio ao olhar para o mar e a brisa sopra contra seu 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 d'água, chega um momento em que a água precipita em 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 está mais próximo. Então a água se expande e sua densidade diminui, portanto ela sobe e a água mais fria toma seu lugar no fundo do recipiente.

Figura 4. Aquecimento de água por convecção. Fonte: wikimedia Commons. Usuário: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

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, à medida que 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 de condicionadores de ar e mecanismos de resfriamento 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 lançar no ar o calor produzido por usinas nucleares, refinarias de petróleo e outras instalações industriais diversas, em vez de jogá-lo no solo ou na água.

Referências

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