A transferência de calor por convecção, muitas vezes referida simplesmente como convecção, é a transferência de calor de um lugar para outro pelo movimento de fluidos. A convecção é geralmente a forma dominante de transferência de calor em líquidos e gases.
A convecção ocorre quando áreas mais quentes de um líquido ou gás sobem para áreas mais frias no líquido ou gás. O líquido ou gás mais frio toma o lugar das áreas mais quentes que subiram mais. Isso resulta em um padrão de circulação contínua.
A convecção é um processo de transferência de calor. Quando as correntes são produzidas, a matéria é movida de um local para outro. Então, este também é um processo de transferência de massa.
A convecção é o fluxo de calor através de um movimento macroscópico de matéria de uma região quente para uma região fria, em oposição à transferência microscópica de calor entre os átomos envolvidos na condução.
Suponha que consideremos o aquecimento de uma região local do ar. À medida que esse ar aquece, as moléculas se espalham, fazendo com que essa região se torne menos densa do que o ar não aquecido ao redor. Sendo menos denso que o ar mais frio circundante, o ar quente subirá subsequentemente devido a forças de empuxo - esse movimento de ar quente para uma região mais fria é então chamado de transferência de calor por convecção.
Água fervendo em uma panela é um bom exemplo de transferência de calor por convecção. Quando o fogão é ligado pela primeira vez, o calor é transferido primeiro por condução entre os elementos através do fundo da panela até a água. No entanto, eventualmente, a água começa a borbulhar, essas bolhas são na verdade regiões locais de água quente subindo à superfície, transferindo assim calor da água quente na parte inferior para a água mais fria na parte superior por convecção. Ao mesmo tempo, a água mais fria e densa no topo afundará para o fundo, onde será posteriormente aquecida.
Outro bom exemplo de convecção está na atmosfera. A superfície da Terra é aquecida pelo sol, o ar quente sobe e o ar frio entra.
A convecção que ocorre naturalmente é chamada de convecção natural ou convecção livre. Se um fluido é circulado usando um ventilador ou uma bomba, é chamado de convecção forçada. A célula formada por correntes de convecção é chamada de célula de convecção ou célula de Benard .
Outro exemplo importante de correntes de convecção é a criação de brisas sobre massas de terra próximas a grandes massas de água. A água tem uma capacidade de calor maior do que a terra e, posteriormente, retém melhor o calor. Portanto, leva mais tempo para mudar sua temperatura, seja para cima ou para baixo. Assim, durante o dia, o ar acima da água será mais frio do que o ar sobre a terra. Isso cria uma área de baixa pressão sobre a terra, em relação à área de alta pressão sobre a água e, posteriormente, encontramos brisas soprando da água para a terra. Por outro lado, durante a noite, a água esfria mais lentamente do que a terra, e o ar acima da água é um pouco mais quente do que sobre a terra. Isso cria uma área de baixa pressão sobre a água em relação à área de alta pressão sobre a terra, e as brisas soprarão da terra para a água.
Tipos de convecção de calor
A convecção de calor é de três tipos – natural, forçada e mista.
- Convecção forçada - Em um caso, o calor pode ser transportado passivamente pelo movimento do fluido, o que ocorreria mesmo sem o processo de aquecimento, um processo de transferência de calor denominado livremente como convecção forçada.
- Convecção natural - No outro caso, o próprio aquecimento pode fazer com que o fluido se mova por meio de forças de expansão e empuxo, ao mesmo tempo em que faz com que o calor seja transportado por esse movimento - um processo vagamente conhecido como convecção natural ou convecção livre.
- A convecção mista (combinada) é uma combinação de convecção forçada e livre, que é o caso geral de convecção quando um fluxo é determinado simultaneamente por um sistema de força externa (ou seja, fornecimento de energia externa ao sistema de corpo aerodinâmico de fluido) e volumétrico interno ( forças de massa), isto é, pela distribuição de densidade não uniforme de um meio fluido em um campo de gravidade.
Alguns exemplos cotidianos de convecção natural
- Água fervente – Água fervente em uma tigela também opera no princípio de convecção. Quando a água começa a esquentar, as moléculas de água se expandem e se movem na panela. Assim, o calor é transferido para outras partes da panela e a água fria começa a afundar enquanto a água quente sobe.
- Um exemplo simples de correntes de convecção é o ar quente subindo em direção ao teto ou sótão de uma casa. O ar quente é menos denso que o ar frio, então sobe.
- O vento é um exemplo de corrente de convecção. A luz solar ou a luz refletida irradia calor, estabelecendo uma diferença de temperatura que faz com que o ar se mova. As áreas sombreadas ou úmidas são mais frias ou capazes de absorver o calor, aumentando o efeito. As correntes de convecção são parte do que impulsiona a circulação global da atmosfera da Terra.
- Xícara de bebida quente fumegante – Você pode ter observado vapor saindo de uma xícara de chá ou café quente. Devido ao calor do fluido, o ar quente sobe. Este ar quente é vapor.
- Derretimento do gelo – O calor se move para o gelo a partir do ar. Isso faz com que a fusão de um sólido para um líquido.
- Balão de ar quente – Um aquecedor dentro do balão aquece o ar e assim o ar se move para cima. Isso faz com que o balão suba porque o ar quente fica preso dentro dele. Quando o piloto quer descer, ele libera um pouco do ar quente e o ar frio toma seu lugar, fazendo com que o balão abaixe.
- Descongelamento de material congelado – Os alimentos congelados descongelam mais rapidamente sob água corrente fria do que se forem colocados em água. A ação da água corrente transfere o calor para os alimentos mais rapidamente.
- Tempestade - A água quente dos oceanos sobe no ar e se transforma em gotas de água saturadas que formam nuvens. Quando esse processo continua, as nuvens menores colidem umas com as outras e nuvens maiores são formadas. Ao atingir o estágio final de crescimento, formam-se nuvens cumulonimbus ou trovoadas.
Convecção em meteorologia e geologia
- Convecção do Manto – O manto rochoso da Terra se move lentamente por causa das correntes de convecção que transferem calor do interior da Terra para a superfície. Esta é a razão pela qual as placas tectônicas se movem gradualmente ao redor da Terra. O material quente é adicionado nas bordas crescentes de uma placa e depois esfria. Nas bordas de consumo, o material se torna denso ao se contrair com o calor e afunda na Terra em uma fossa oceânica. Isso desencadeia a formação de vulcões.
- Circulação oceânica – A água quente ao redor do equador circula em direção aos polos e a água mais fria nos polos se move em direção ao equador.
- O efeito chaminé ou chaminé – Este é o movimento do ar para dentro e para fora de edifícios, chaminés ou outros objetos devido à flutuabilidade. Neste caso, a flutuabilidade refere-se às diferentes densidades do ar entre o ar interno e o ar externo. A força de empuxo aumenta devido à maior altura da estrutura e a uma maior diferença entre o nível de calor do ar interno e externo.
- Convecção de uma estrela - Uma estrela tem uma zona de convecção onde a energia é movida por convecção. Fora do núcleo há uma zona de radiação onde o plasma se move. Uma corrente de convecção se forma quando o plasma sobe e o plasma resfriado desce.
- Convecção gravitacional - Isso mostra quando o sal seco se difunde para baixo no solo úmido porque a água doce flutua na água salgada.
- As correntes de convecção são evidentes no sol . Os grânulos vistos na fotosfera do sol são os topos das células de convecção. No caso do sol e de outras estrelas, o fluido é plasma e não um líquido ou gás.
Convecção forçada
É aqui que um dispositivo externo, como um ventilador, bomba ou dispositivo de sucção, é usado para facilitar a convecção.
Aqui estão alguns exemplos de convecção forçada:
- Radiador - No radiador, o elemento de aquecimento é colocado na parte inferior da máquina. Assim, o ar quente deste elemento de aquecimento é substituído por ar frio.
- Frigorífico – A unidade do congelador é colocada na parte superior. A razão por trás disso é que o ar quente dentro da geladeira vai subir, mas o ar mais frio na região do freezer vai afundar e manter a parte inferior da geladeira aquecida.
- Condicionador de ar – A unidade de resfriamento em um condicionador de ar é colocada na parte superior. Assim, o ar quente sobe para a unidade de resfriamento, é substituído por ar frio e a sala é resfriada.
- Popper de ar quente - Possui um ventilador, um elemento de aquecimento e uma ventilação. Quando o popper é ligado, o ventilador sopra ar no elemento de aquecimento através da ventilação. O ar torna-se quente e, portanto, sobe. Os grãos de pipoca são colocados logo acima do elemento de aquecimento. O ar quente sobe e os grãos de pipoca são aquecidos. É assim que obtemos nossa deliciosa pipoca.
- Forno de convecção – Em um forno de convecção, é utilizado o princípio da convecção forçada. O ar no compartimento é forçado a aquecer usando elementos de aquecimento. Devido a esse aquecimento, as moléculas de ar se expandem e se movem. A comida no interior é cozida devido a este ar quente.
- Motor refrigerado a ar – Os motores refrigerados a ar são resfriados por correntes de convecção em seus tubos de água. O motor, em funcionamento por muito tempo, aquece. O calor que é dissipado precisa ser resfriado para manter o motor funcionando. O motor é coberto por uma camisa de água que é aquecida. Devido a este aquecimento, a água quente flui através dos tubos que circundam o motor. Esses tubos têm ventiladores devido aos quais a água quente é resfriada. Essa água quente, pelo princípio da convecção, afunda, resfriando o motor.
