[2º] Convecção (por Daniela Lima)

A convecção é uma forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é transmitido de átomo a átomo sucessivamente, na convecção a propagação do calor se dá através do movimento do fluido envolvendo transporte de matéria. A descrição e explicação desse processo é simples:

Quando fervemos a água em uma panela, as moléculas de água que estão no fundo da panela são aquecidas primeiro; sabemos que quando a água se aquece, fica menos densa, isto é, sua densidade diminui, portanto ela fica mais leve. Assim a água aquecida do fundo da panela, fica mais leve e sobe, dando lugar a água mais fria que estava na superfície, assim a água mais fria desce. Forma-se então uma corrente conduzindo calor. A essa transferência de calor damos o nome de transferência por Convecção.


Transferência de calor por convecção natural

Quando calor é transferido pela circulação de fluidos devido a flutuação devido a mudanças de densidade induzidas pelo próprio calor, então o processo é conhecido como convecção natural ou convecção livre.

Exemplos conhecidos são o fluxo ascendente de ar devido a um incêndio ou um objeto quente e circulação de água em uma panela, que é aquecida por baixo.Para uma experiência visual de convecção natural, um copo cheio de água quente contendo corante alimentício vermelho pode ser colocado dentro de um aquário com água limpa e fria. As correntes de convecção do líquido vermelho serão vistas com a ascensão e movimento descendente também, então eventualmente revertem seu sentido, o que ilustra o processo como gradientes de calor são dissipados.

Convecção forçada

Convecção de calor natural (também chamada “convecção livre”) é distinguida de vários tipos de convecção forçada de calor, a qual refere-se a advecção de calor por um fluido o qual é quente devido a forças naturais de flutuação induzidas por aquecimento. Em convecção de calor forçada, a transferência de calor é devido ao movimento no fluido o qual resulta de muitas outras forças, tais como (por exemplo) um ventilador ou bomba. Assim, um forno de convecção funciona por convecção forçada, como um ventilador que circula rapidamente ar quente força calor em alimento mais rápido do que seria natural acontecer, devido ao simples aquecimento sem o ventilador. Aquecimento aerodinâmico é uma forma de convecção forçada. Sistemas comuns de radiador de calor por fluido, e também de aquecimento e resfriamento de partes do corpo por circulação do sangue, são outros exemplos familiares de convecção forçada. As orelhas dos elefantes africanos são um exemplo de estrutura desenvolvida pelo processo evolutivo com vistas à refrigeração pela convecção forçada de corrente sanguínea.

Convecção induzida por flutuação não devida ao calor

O termo geral para isto é convecção gravitacional. Convecção de calor natural é apenas uma forma de convecção gravitacional. Forças de empuxo diferenciais de convecção em campos de gravidade podem resultar de fontes não térmicas de variação de densidade, como a composição variável. Por exemplo, convecção gravitacional pode ser vista na difusão de uma fonte de sal seco descendente em solo úmido, devido ao empuxo da água doce em meio salino.Salinidade variável na água e no conteúdo variável de água nas massas de ar (umidade), são causas freqüentes de convecção nos oceanos e atmosfera, as quais não envolvem calor, ou envolvem outros fatores adicionais de densidade em função da composição que as mudançs de densidade pela expansão térmica (ver circulação termoalina). Similarmente, composição variável no interior da terra as quais ainda não tenham atingido a máxima estabilidade e mínima energia (em outras palavras, com partes mais densas mais profundas) continua a causar uma fração da convecção da rocha fluida e de metal fundido no interior da Terra.

Exercício: Uma barra de alumínio (K = 0,5cal/s.cm.ºC) está em contato, numa extremidade, com gelo em fusão e, na outra, com vapor de água em ebulição sob pressão normal. Seu comprimento é 25cm, e a seção transversal tem 5cm2 de área. Sendo a barra isolada lateralmente e dados os calores latentes de fusão do gelo e de vaporização da água (LF = 80cal/g; L= 540cal/g), determine a massa do gelo que se funde em meia hora.

Curiosidades:

*Porque venta?

O vento pode ser considerado como o ar em movimento. Resulta do deslocamento de massas de ar, derivado dos efeitos das diferenças de pressão atmosférica entre duas regiões distintas e é influenciado por efeitos locais como a orografia e a rugosidade do solo.
Essas diferenças de pressão têm uma origem térmica, estando diretamente relacionadas à radiação solar e os processos de aquecimento das massas de ar. Formam-se a partir de influências naturais: continentalidade, maritimidade, latitude, altitude e amplitude térmica.

*Porque os balões sobem?

A resposta parece ser simples e qualquer um responderia: porque há ar quente no interior do balão, sendo o ar quente mais leve o balão sobe. Realmente isso é verdade, entretanto poderia indagar: e por que o ar quente sobe?

As respostas para isso são alguns conceitos da física, envolvendo principalmente aquilo que se chama densidade. A densidade é a relação matemática entre a massa de um corpo e o seu volume, chamando-se então a densidade de d, a massa de m e o volume de v, teremos:

d=m/v

*Mas o que essa relação tem a ver com o fato do ar quente subir?

A relação reside no fato de que, ao aquecermos o ar, as partículas gasosas ganham energia e passam a se mover com maior velocidade. Assim, as partículas se afastam uma das outras e isso quer dizer que o volume do gás aumenta com o calor. Para ilustrar a ideia, imaginemos um liquidificador cheio, até a metade de seu recipiente, com várias bolinhas de isopor, ao ligarmos o aparelho as bolinhas ganharão energia e logo ocuparão o volume total do recipiente, isto é, as bolinhas se afastarão uma das outras ocupando todo volume interno. É isso que acontece também com o balão.Mas isso ainda explica pouco, pois o que faz o balão subir são as diferenças de densidades entre o ar interno do balão, e o ar externo. Assim, ao aquecermos o ar interno do balão, as partículas se afastam, o volume aumenta (o balão vai enchendo) e a densidade diminui, pois pela relação d=m/v, supondo-se que a massa de gás seja invariável, sendo constante, temos que se o volume aumentar a densidade irá diminuir (só o dividendo aumenta), e essa diferença de densidades entre o ar interno do balão e o ar externo, faz com que a menor densidade interna do balão, faça ele subir. Então, o balão sobe porque a densidade interna é menor em relação à densidade externa.

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