Transferência de calor de convecção (com exemplos)

O Transferência de calor por convecção Ocorre através do movimento de um fluido, que pode ser gás ou líquido. À medida que a densidade diminui à medida que a temperatura aumenta, as massas de fluido mais quentes aumentam, enquanto as porções mais frias descem. Dessa maneira, há um movimento de massa fluida, através do qual o calor é transportado de um lugar para outro.

Essa é a característica que distingue a convecção de direção e radiação, porque na convecção sempre há um deslocamento líquido em massa. Por outro lado, a radiação não precisa de um meio de material para se espalhar e, em termos de transmissão de direção, é devido a colisões sucessivas entre átomos e moléculas, sem o movimento líquido da matéria.

No entanto, no nível da atmosfera e dos oceanos, é fácil para os deslocamentos de grandes massas de ar e água ocorrem. É por isso que a convecção é o mecanismo de transferência de energia preponderante nesses meios e é aquele que determina em grande parte o clima da terra.

Em uma cozinha doméstica, você pode ver de perto os mecanismos de transferência de calor. Basta colocar água em aquecimento em uma panela. A porção fluida que está mais próxima da chama da Hornilla é aquecida, sua densidade diminui e aumenta. Seu lugar é ocupado por água mais fria, que desce ao fundo da panela.

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Tipos de convecção

Quando uma porção de fluido é aquecida, suas moléculas se movem mais rápido e se partem. Por esse motivo, o fluido a uma temperatura mais alta se torna menos denso e é capaz de ascender por flutuação, carregando o calor com ele.

Em seguida, uma massa de fluido mais fria ocupa o local deixado por essas moléculas ascendentes e essa troca contínua gera as chamadas correntes de convecção.

Isso pode ser alcançado de duas maneiras: por convecção natural (livre) ou por convecção forçada. Da mesma forma, ambas as formas de convecção estão presentes em sistemas de aquecimento central ou usinas solares.

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Em seguida, cada um consiste em:

Convecção natural e forçada

Nesse mecanismo, o calor flui apenas graças ao fato de que a diferença de temperatura no fluido em questão. Sem gravidade, não há convecção natural.

Existe um experimento simples no laboratório que permite visualizar essas correntes de convecção naturais quando elas são formadas na água.

Um tubo de vidro dobrado é necessário em forma quadrada ou retangular e um corante que torna as correntes ascendentes visíveis. Isso geralmente é permanganato de potássio, que tinge água violeta ou gotas de algum tipo de tinta.

Agora um dos cantos inferiores do tubo e a densidade da porção de água que está apenas na chama diminui e sobe, sendo substituída por uma porção de água mais fria da água.

Experiência simples para ilustrar como as correntes de convecção são formadas na água. Fonte: f. Zapata.

Esse processo de troca contínuo entre água fria e quente gera uma corrente de convecção contrária ao relógio, que é observada graças ao corante violeta, como mostrado na figura superior.

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

Quando a convecção ocorre graças à externa significa que dirige o fluido, como um ventilador ou uma bomba, é forçada por convecção. O fluido pode ser forçado a fluir através de um tubo, como nos sistemas de aquecimento central das casas, o radiador de um carro ou em um espaço mais aberto, graças a um ventilador ASPAS.

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Exemplos de transferência de calor de convecção

Sistemas de aquecimento central

O sistema de aquecimento central em uma casa utiliza transferência de calor por convecção na água.

Para isso, você tem que circular água quente através de tubos embaixo do chão, de uma caldeira central. Dessa maneira, a água transfere aquece para os radiadores ou aquecimento e destes o calor passa para os quartos, enquanto a água fria retorna novamente à caldeira de aquecimento para repetir o ciclo.

Como pode ser visto, a convecção natural e forçada estão presentes no mecanismo de aquecimento central.

Radiadores, fogões e chaminés

Fontes de calor, como radiadores, aquecem o ar que os rodeia e sobe, enquanto o ar da parte superior desce, gerando correntes de ar convectivo na sala quente.

Cook: ferva e frite

Quando a água contida nesta panela é aquecida, a transferência de calor por convecção predomina

Toda vez que a comida é fervida em água ou submersa em óleo de fritura, eles são cozidos por calor transferido por convecção.

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

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

O vento

Correntes de convecção na atmosfera causam ventos. Essas correntes são formadas devido a muitos fatores, incluindo o fato de a superfície da terra ser aquecida de forma desigual.

Por exemplo, durante o dia a praia aquece mais do que a água do mar, então a flutuação faz o ar no topo da praia perguntar e o ar mais frio, chegando do mar, ocupa seu lugar.

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Mas à noite o processo ocorre ao contrário, já que a praia perde calor mais rápido que a água mais quente e o ar vai para o mar. É por isso que em uma boate na praia, a fumaça se move em direção ao mar, enquanto que se o fogo for feito durante o dia, a fumaça se move em direção ao chão.

O campo magnético da Terra

A terra é composta de camadas e o núcleo tem uma camada externa, a alta temperatura, que não é solidificada. O movimento do planeta cria correntes de convecção neste fluido, que se acredita ser responsável 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 esse campo, uma vez que os movimentos planetários fazem essas partículas têm um comportamento semelhante ao de pequenas voltas (circuitos fechados) de corrente.

Os cientistas encontraram uma correlação entre a intensidade do campo magnético e a velocidade de rotação do planeta. Acredita -se que o fraco campo magnético de Vênus se deve ao fato de que sua velocidade de rotação é menor que a de Júpiter, cujo campo magnético é muito mais intenso.

Referências

1. Giambattista, a. 2010. Física. 2º. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, d.  2006. Física: Princípios com aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Ciência física conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Física da Universidade com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1. Pearson.
5. Serway, r., Jewett, J. 2008. Física para Ciência e Engenharia. Volume 1. 7º. Ed. Cengage Learning.
6. Tiptens, p. 2011. Física: conceitos e aplicações. 7ª edição. McGraw Hill.