Convecção

figura 1. Uma estadia está esfriando a porta, já que o ar quente (seta vermelha) e menos densa sobe e escapa dela. Fonte: Wikimedia Commons. Genieclimatique/cc by-SA (https: // criativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)

O que é convecção?

O convecção É um dos três mecanismos em que o calor é transferido de uma área mais quente para uma mais fria. Ocorre devido ao movimento da massa de um fluido, que pode ser líquido ou um gás. De qualquer forma, sempre é necessário um meio material para que esse mecanismo possa ser dado.

Quanto mais rápido o movimento do fluido em questão, mais rápido a transferência de energia térmica será entre áreas de diferentes temperaturas. Isso ocorre continuamente com massas de ar atmosférico: a flotabilidade é responsável pela ascensão mais quente e menos densa, enquanto o declínio mais frio e denso.

Um exemplo disso é a sala fechada da imagem, que é imediatamente legal abaixo.

Tipos de convecção

Convecção natural e forçada

Figura 2. Exemplos de convecção forçada e convecção natural. Fonte: Cengel e. Termodinâmica.

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

Disseminação e monitoramento

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

Por outro lado, no início, uma boa quantidade de massa fluida é movida, o que pode ser alcançado forçando a convecção com um ventilador, por exemplo. Mas a vantagem do iniciante é que ele é muito mais rápido que a difusão.

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Como o calor é transferido por convecção?

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

Vamos chamar isso de calor transferido e t ao mesmo tempo. A taxa na qual o calor é transferido é DQ/dt ou derivado da função q (t) em relação ao tempo.

Como o calor é a 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).

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

Δt = temperatura da superfície do objeto - temperatura longe do objeto

A constante de proporcionalidade é chamada h, que é o Coeficiente de transmissão de calor de convecção e é determinado experimentalmente. Suas unidades no sistema internacional (SI) são w/m². K, mas é comum encontrá -lo em termos de graus Celsius ou Celsius.

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

Combinando tudo o exposto acima, a lei de refrigeração de Newton adquire este formulário:

dq/dt = ha Δt

Aplicação da lei de refrigeração de Newton

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

Solução

A pessoa pode transmitir calor ao ar que o rodeia, pois está em movimento ao soprar a brisa. Para encontrar a taxa de transferência DQ/DT, os valores na equação de Newton para resfriamento são simplesmente substituídos:

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dq/dt = 6 w/m². ºC x 1.6 m² X (29 ºC - 20 ° C) = 86.4 w.

Exemplos de convecção

Aqueça suas mãos em um incêndio

É comum aquecer suas mãos, aproximando -se de um fogo ou torradeira quente, uma vez que o ar ao redor da fonte de calor é aquecido por sua vez e se expande, subindo porque é menos denso. Enquanto circula, este ar quente envolve e aquece suas mãos.

Figura 3. Uma maneira de aquecer suas mãos é através da corrente de convecção originada no ar pelo fogo

Fluxo de ar na costa

Na costa, o mar está mais frio que a terra, então o ar na terra é aquecido e sobe, enquanto o mais frio chega e é estabelecido no espaço deixado por esse outro quando ascendente.

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

O ciclo da Agua

A convecção natural ocorre no ar da costa oceânica, usando o ciclo hidrológico, no qual a água é aquecida e evaporada graças à radiação solar. Vapor de água assim formado ascendem, resfriam e condensam as nuvens, cujas massas aumentam e ascendem por convecção.

Ao aumentar o tamanho das gotas de água, chega um momento em que a água é precipitada na forma de chuvas, sólidas ou líquidas, dependendo da temperatura.

Ferver água em um recipiente

Quando a água é colocada no bule ou na panela, as camadas mais próximas do fundo são aquecidas primeiro, já que a chama ou o calor da buzina está mais próxima. Em seguida, a água se expande e sua densidade diminui, portanto sobe e a água mais fria toma seu lugar no fundo do recipiente.

Pode servir a você: energia mecânica: fórmulas, conceito, tipos, exemplos, exercícios Figura 4. Aquecimento de água de convecção. Fonte: Wikimedia Commons. Usuário: Oni Lukos/CC BY-SA (http: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/).

Dessa maneira, todas as camadas circula rapidamente e toda a massa de água é aquecida. Este é um bom exemplo de monitoramento.

Geração de vento

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 abaixo do ar quente, criando várias correntes chamadas correntes de correntes de convecção.

Correntes oceânicas

A água se comporta semelhante à maneira como o ar se sai na atmosfera. As águas mais quentes estão quase sempre perto da superfície, enquanto as águas mais frias são mais profundas.

Efeito Dinamo

Ocorre no núcleo fundido do interior do planeta, onde é combinado com o movimento de rotação 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 de transporte energético eficiente lá, uma vez que as moléculas gasosas têm liberdade suficiente para se mover entre as áreas dentro das estrelas.

Aplicações de convecção

ar condicionado

O ar condicionado é colocado perto do teto dos quartos, de modo que o ar resfriado, que é mais denso, desce e esfrie mais perto do chão rapidamente.

Trocadores de calor

É um dispositivo que permite a transmissão de calor de um fluido para outro e é o princípio da operação dos ar condicionados e os mecanismos de resfriamento do motor do carro, por exemplo.

Isoladores térmicos em construções

Eles são feitos combinando placas de material isolante e adicionando bolhas de ar dentro.

Torres de refrigeração

Também chamados de torres de resfriamento, eles servem para descartar o calor produzido por centrais nucleares, refinarias de petróleo e outras diversas instalações industriais, em vez de fazê -lo para terra ou água.

Referências

1. Giambattista, a. 2010. Física. 2º. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, e. Dirigir, convecção e radiação. Recuperado de: Eltamiz.com.
3. Natahenoo. Aplicações de calor. Recuperado de: Cinehenao.WordPress.com.
4. Serway, r. Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Convecção. Recuperado de: em.Wikipedia.org.
6. Wikipedia. Convecção térmica. Recuperado de: frio.Wikipedia.org.