Convecção: características, exemplos, aplicações

Convecção: características, exemplos, aplicações

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

Quanto mais rápido o movimento do fluido em questão, mais rápida é 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 densas descem.

Um exemplo disso é a sala fechada da imagem, que é atualizada imediatamente assim que as portas ou janelas são abertas, pois o ar quente do interior escapa até pelas fendas, dando lugar ao ar fresco do lado de fora que é mais baixa.

Tipos de convecção

Convecção natural e forçada

A convecção pode ser natural ou forçada. No primeiro caso, o fluido se move por si só, como quando abre 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 de fluido se movem mais ou menos aleatoriamente e a transmissão de calor é lenta.

Por outro lado, a advecção move uma boa quantidade de massa de fluido, o que pode ser alcançado forçando a convecção com um ventilador, por exemplo. Mas a vantagem da advecção é que ela é muito mais rápida 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 modo que a diferença de temperatura seja pequena.

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Vamos chamar o calor transferido Q e o tempo t. A taxa na qual o calor é transferido é dQ / dt ou derivada da função Q (t) em relação ao tempo.

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

Essa taxa é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o objeto quente e o meio, denotado como ΔT e também à área de superfície A 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 determinada experimentalmente. Suas unidades no Sistema Internacional (SI) são W / m 2 . K, mas é comum encontrá-lo em graus Celsius ou centígrado.

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

Combinando tudo isso, a lei de Newton de resfriamento matematicamente assume esta forma:

dQ / dt = hA ΔT

Aplicação da lei de Newton de resfriamento

Uma pessoa fica no meio de uma sala a 20 ° C, através da qual sopra uma brisa leve. 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 m 2 e a temperatura da superfície da pele seja de 29 ºC.

Fato : o coeficiente de transferência de calor por convecção neste caso é de 6 W / m 2 . ºC

Solução

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

dQ / dt = 6 W / m 2 . ºC x 1,6 m 2 x (29 ºC – 20 ºC) = 86,4 W.

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Exemplos de convecção

Aqueça suas mãos em uma fogueira

É comum aquecer as mãos, aproximando-as de uma fogueira ou torradeira quente, pois o ar ao redor da fonte de calor aquece e se expande, subindo, pois é menos denso. À medida que você circula, esse ar quente envolve e aquece suas mãos.

Fluxo de ar na costa

No litoral, o mar é mais frio que a terra; portanto, o ar que está acima da terra se aquece e sobe, enquanto o mais frio chega e se instala no espaço deixado por esse outro ao subir.

Isso é chamado de célula de convecção e é a razão pela qual você se sente mais frio quando olha para o mar e a brisa sopra contra o seu rosto em um dia quente. À noite ocorre o contrário, a brisa fresca vem da terra.

O ciclo da Agua

A convecção natural ocorre no ar nas costas do oceano, através do ciclo hidrológico, no qual a água aquece e evapora graças à radiação solar. O vapor de água assim formado sobe, esfria e condensa em nuvens, cujas massas sobem e sobem por convecção.

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

Ferva a água em uma tigela

Quando a água é colocada na chaleira ou na panela, as camadas mais próximas ao fundo são aquecidas primeiro, pois a chama ou o calor do queimador é o mais próximo. Então a água se expande e sua densidade diminui; portanto, aumenta 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 é aquecido. Este é um bom exemplo de advecção.

Geração eólica

A convecção nas massas de ar, juntamente com o movimento de rotação da Terra, produz ventos, uma vez que o ar frio se move e circula sob o ar quente, criando várias correntes chamadas correntes de convecção.

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correntes oceânicas

A água se comporta da mesma maneira que o 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 do interior do planeta, onde se combina com o movimento rotacional da Terra, gerando correntes elétricas que dão origem ao campo magnético da Terra.

Transmissão de energia dentro das estrelas

Estrelas como o Sol são enormes esferas de gás. A convecção é um mecanismo eficiente para transportar energia para lá, pois as moléculas de gás têm liberdade suficiente para se mover entre as áreas dentro das estrelas.

Aplicações de convecção

ar condicionado

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

Trocadores de calor

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

Isolamento térmico em edifícios

Eles são feitos combinando folhas de material isolante e adicionando bolhas de ar no interior.

Torres de refrigeração

Também chamadas de torres de resfriamento, servem para descartar o calor produzido pelas usinas nucleares, refinarias de petróleo e outras instalações industriais no ar, em vez de aterrar ou regar.

Referências

  1. Giambattista, A. 2010. Física. 2nd. 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. Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
  5. Wikipedia. Convecção. Recuperado de: en.wikipedia.org.
  6. Wikipedia. Térmica de convecção. Recuperado de: fr.wikipedia.org.

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