Provavelmente já viu que, se uma xícara de chá quente for deixada na mesa por um longo período, ela esfria. Isso se deve à perda de calor para o meio ambiente. Como resultado, a transferência de calor é descrita como a transmissão de calor ou energia térmica de um sistema físico para outro. Portanto, quando dois corpos têm um diferencial de temperatura, o calor é transportado do corpo quente para o corpo mais frio. Condução, convecção e radiação são as três formas mais frequentes de transferência de calor. Falaremos sobre transmissão de calor por convecção neste post.

Convecção

A ação de transmissão de calor por meio do movimento de um grande número de moléculas no interior de fluidos, como gases e líquidos, é conhecida como convecção.

A transmissão inicial de calor entre o item e o fluido ocorre por condução, mas a maior parte da transferência de calor ocorre devido ao movimento do fluido.

Os sólidos não experimentam convecção porque suas partículas básicas não se movem. O processo de difusão de calor em sólidos é conhecido como condução térmica. Em condições normais, gases e líquidos são maus condutores de calor, entretanto, eles podem transportar calor rapidamente por convecção.

Transferência de calor por convecção: como funciona?

Convecção é o processo de transferência de calor entre um sólido e um líquido ou fluido que está em contato com o sólido. Ao transmitir calor de um líquido para outro através de uma barreira, a convecção é essencial. A transferência de calor por convecção ocorre por difusão térmica (movimento da molécula do fluido) ou advecção, na qual o calor é transferido por meio do movimento em massa das correntes de calor no fluido.

A expansão térmica ocorre quando qualquer fluido é aquecido por baixo. A densidade do fluido diminui nas camadas inferiores à medida que fica mais quente. A parte mais quente e menos densa do fluido sobe por causa da flutuabilidade e é substituída por um fluido mais denso e frio. Quando essa parte esquenta, ela também sobe e é substituída pela camada superior mais fria, e o processo é repetido. Desta forma, a convecção é usada para transmitir calor.

Tipo de Convecção

A convecção pode ser dividida em dois tipos:

  • Convecção natural
  • Convecção forçada

Convecção natural: Quando a diferença de temperatura ocorre, ela causa diferença de densidade que produz a força de flutuação e a convecção ocorre. Este processo é denominado convecção natural. Os ventos oceânicos são um exemplo de convecção natural.

Convecção forçada: ocorre quando uma fonte externa, como uma bomba ou ventilador, é utilizada para produzir convecção. O uso de gêiseres ou aquecedores de água para aquecimento rápido da água, bem como o uso de ventiladores nos dias quentes de verão, são exemplos de convecção forçada.

Lei de resfriamento de Newton

Em circunstâncias típicas, a transferência de calor por convecção é proporcional ao diferencial de temperatura entre os componentes. Este fenômeno foi declarado pela lei de resfriamento de Newton, que afirma:

A taxa de transmissão de calor de qualquer pessoa para seus arredores por convecção está relacionada à diferença de temperatura entre eles. A diferença de temperatura deve ser mínima e a natureza da superfície radiante deve permanecer inalterada.

A lei de resfriamento de Newton está ligada à convecção forçada, que é escrita como:

P = dq⁄dt = hA (T s -T f )

onde, P = dq⁄dt é a taxa de transferência de calor, h é o coeficiente de convecção de transferência de calor, A é a área da superfície do corpo que está exposta, T s é a temperatura corporal e T f  é a temperatura do fluido.

O valor do coeficiente de transferência de calor depende de vários fatores:

  • Viscosidade
  • Densidade
  • Capacidade de calor específica
  • Condutividade térmica

Exemplos de Convecção

  • A água quente segue em direção aos pólos conforme se aproxima do equador, enquanto a água mais fria segue em direção ao equador.
  • Animais de sangue quente usam convecção para circular seu sangue, o que ajuda a regular a temperatura corporal.
  • O fenômeno do mar e do vento terrestre é um dos exemplos mais prevalentes de convecção natural.

Sea Breeze: Durante o dia, sopra vento do mar. Tanto a água como a terra são aquecidas pelo sol. Como a água tem uma capacidade de aquecimento maior do que a terra, ela recebe mais energia do sol, mas aquece consideravelmente mais lentamente. Como resultado, a temperatura acima do solo aumenta, aquecendo o ar do ambiente circundante.

O ar quente se expande porque é menos denso, resultando em uma região de baixa pressão sobre a terra ao longo da costa. Enquanto isso, a água está sob pressão consideravelmente maior. Devido à diferença de pressão do ar, o ar flui do mar para a terra. Como resultado, uma inesperada rajada de vento é sentida, conhecida como brisa do mar .

Brisa do mar

Land Breeze: Quando a situação muda à noite, esses fenômenos surgem. A terra e o mar começam a esfriar com o pôr do sol. Devido às variações na capacidade de calor, o solo perde calor mais rápido do que a água. Comparativamente, a temperatura da água torna-se mais alta, resultando em baixa pressão do ar ali. Isso cria um vento frio na costa, conhecido como brisa terrestre.

Brisa da terra

Problemas de amostra

Problema 1: Qual é o papel da convecção em nossa vida diária?

Responder:

Nas seguintes situações, a convecção é usada:

  • Quando a água é aquecida a uma determinada temperatura, as moléculas de água se expandem e circulam nas proximidades. Como resultado do calor sendo transportado para diferentes seções da panela, a água fria começa a afundar enquanto a água aquecida sobe.
  • O ar dentro do balão de ar quente é continuamente aquecido, tornando-o mais quente. O balão, como o ar quente, sobe.
  • À tarde, a terra perto do mar é mais quente do que à noite. Pelo conceito de convecção, o ar aquecido sobe e é substituído por ar mais frio. Da mesma forma, o ar perto da água é mais quente do que o ar perto da costa à noite. Isso ocorre porque o ar aquecido sobe e é substituído por ar frio.

Problema 2: Por que os materiais sólidos não sofrem convecção?

Responder:

A convecção é o processo de transferência de calor por meio do movimento das partículas. Visto que as partículas sólidas não se movem, a convecção não é possível em materiais sólidos.

Problema 3: Quais são os processos pelos quais ocorre a convecção?

Responder:

Ao transferir calor de um líquido para outro através de uma barreira, a convecção é essencial. A transferência de calor por convecção ocorre por difusão térmica (movimento da molécula do fluido) ou advecção, na qual o calor é transferido por meio do movimento em massa das correntes de calor no fluido.

Problema 4: O que significa convecção “livre” ou “natural”?

Responder:

O mecanismo de transmissão de calor é considerado livre ou de convecção natural se o movimento do fluido for causado por uma mudança na densidade causada por gradientes de temperatura.

Problema 5: Convecção natural ou induzida, que tem um coeficiente de transferência de calor mais alto? Qual é a razão por trás disso?

Responder:

Uma vez que o coeficiente de transferência de calor por convecção é determinado principalmente por características como densidade, velocidade e viscosidade do fluido, ele é geralmente maior na convecção forçada do que na convecção natural.