O convecção é um dos três mecanismos pelos quais o calor é transferido de uma área mais quente para outra mais fria. Isso ocorre devido ao movimento da massa de um fluido, que pode ser um líquido ou um gás. Em qualquer caso, um meio material é sempre necessário para que este mecanismo possa ocorrer..
Quanto mais rápido for o movimento do fluido em questão, mais rápida será 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 mais densas descem.
Um exemplo disso é a sala fechada da imagem, que é imediatamente refrescada assim que as portas ou janelas são abertas, já que o ar quente de dentro escapa mesmo pelas fendas, dando lugar ao ar fresco de fora que fica mais embaixo..
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A convecção pode ser natural ou forçada. No primeiro caso, o fluido movimenta-se sozinho, como ao abrir a porta da sala, enquanto no segundo é forçado por um ventilador ou uma bomba, por exemplo.
Também pode haver duas variantes: difusão Y advecção. Na difusão, as moléculas de fluido se movem mais ou menos aleatoriamente e a transferência de calor é lenta..
Por outro lado, na advecção, uma boa quantidade de massa de fluido se move, o que pode ser conseguido forçando a convecção com um ventilador, por exemplo. Mas a vantagem da advecção é que ela é muito mais rápida do que a difusão.
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.
Chamemos Q de calor transferido e t de tempo. 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 vem em joules / segundo, que são watts ou watts (W).
Esta taxa é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o objeto quente e o meio, denotada como ΔT e também para a área de superfície PARA 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 determinado experimentalmente. Suas unidades no Sistema Internacional (SI) são W / mdois. K, mas é comum encontrá-lo em termos de graus Celsius ou centígrados.
É importante observar que este coeficiente não é uma propriedade do fluido, pois depende de diversas variáveis, como a geometria da superfície, a velocidade do fluido e outras características..
Combinando todos os itens acima, matematicamente a lei de resfriamento de Newton assume esta forma:
dQ / dt = hA ΔT
Uma pessoa fica no meio de uma sala a 20 ° C, através da qual sopra uma leve brisa. 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 mdois e a temperatura da superfície da pele é de 29 ºC.
Facto: o coeficiente de transferência de calor por convecção, neste caso, é 6 W / mdois. ºC
A pessoa pode transmitir calor para o ar ao seu redor, pois está em movimento quando sopra a brisa. Para encontrar a taxa de transferência dQ / dt, basta inserir os valores na equação de Newton para resfriamento:
dQ / dt = 6 W / mdois. ºC x 1,6 mdois x (29 ° C - 20 ° C) = 86,4 W.
É comum aquecer as mãos levando-as para perto de uma fogueira ou torradeira quente, pois o ar ao redor da fonte de calor, por sua vez, aquece e se expande, aumentando porque é menos denso. À medida que circula, este ar quente envolve e aquece as mãos.
No litoral, o mar é mais frio que a terra, então o ar acima da terra se aquece e sobe, enquanto o ar mais frio chega e se acomoda no espaço deixado por este outro ao subir..
Isso é chamado célula de convecção E é por isso que fica mais frio quando você olha para o mar e a brisa sopra no seu rosto em um dia quente. À noite acontece o contrário, a brisa fresca vem de terra.
A convecção natural ocorre no ar das costas oceânicas, por meio do ciclo hidrológico, no qual a água é aquecida e evaporada graças à radiação solar. O vapor de água assim formado sobe, esfria e se condensa em nuvens, cujas massas aumentam e sobem por convecção..
Conforme o tamanho das gotas d'água aumenta, chega um momento em que a água precipita em forma de chuva, sólida ou líquida, dependendo da temperatura..
Quando a água é colocada na chaleira ou panela, as camadas mais próximas do fundo são aquecidas primeiro, pois a chama ou o calor do queimador está mais próximo. Então a água se expande e sua densidade diminui, portanto ela sobe 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 se aquece. Este é um bom exemplo de advecção.
A convecção nas massas de ar, junto com o movimento rotacional 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..
A água se comporta de maneira semelhante ao comportamento do ar na atmosfera. As águas mais quentes estão quase sempre perto da superfície, enquanto as águas mais frias são mais profundas.
Ocorre no núcleo derretido do interior do planeta, onde se combina com a rotação da Terra, gerando correntes elétricas que dão origem ao campo magnético terrestre..
Estrelas como o Sol são enormes esferas de gás. A convecção é um mecanismo eficiente de transporte de energia ali, já que as moléculas gasosas têm liberdade suficiente para se mover entre áreas do interior das estrelas..
O ar condicionado é colocado próximo ao teto dos cômodos, para que o ar resfriado, que é mais denso, desça e esfrie próximo ao chão rapidamente.
É um dispositivo que permite a transmissão de calor de um fluido para outro e é o princípio de funcionamento dos condicionadores de ar e mecanismos de refrigeração do motor do automóvel, por exemplo.
Eles são feitos combinando folhas de material isolante e adicionando bolhas de ar dentro.
Também chamadas de torres de resfriamento, elas servem para lançar no ar o calor produzido por usinas nucleares, refinarias de petróleo e outras instalações industriais diversas, em vez de jogá-lo no solo ou nas águas..
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