14.6: Convecção

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Discuta o método de transferência de calor por convecção.

A convecção é impulsionada pelo fluxo de matéria em grande escala. No caso da Terra, a circulação atmosférica é causada pelo fluxo de ar quente dos trópicos para os pólos e pelo fluxo de ar frio dos pólos em direção aos trópicos. (Observe que a rotação da Terra causa o fluxo de ar observado para leste no hemisfério norte). Os motores dos carros são mantidos resfriados pelo fluxo de água no sistema de resfriamento, com a bomba de água mantendo um fluxo de água fria para os pistões. O sistema circulatório é usado pelo corpo: quando o corpo superaquece, os vasos sanguíneos da pele se expandem (dilatam), o que aumenta o fluxo sanguíneo para a pele, onde pode ser resfriado pela transpiração. Esses vasos se tornam menores quando está frio lá fora e maiores quando está quente (então mais fluido flui e mais energia é transferida).

O corpo também perde uma fração significativa de seu calor durante o processo de respiração.

Embora a convecção seja geralmente mais complicada do que a condução, podemos descrever a convecção e fazer alguns cálculos diretos e realistas de seus efeitos. A convecção natural é impulsionada por forças de empuxo: o ar quente sobe porque a densidade diminui à medida que a temperatura aumenta. A casa na Figura\(\PageIndex{1}\) é mantida aquecida dessa maneira, assim como a panela de água no fogão na Figura\(\PageIndex{2}\). As correntes oceânicas e a circulação atmosférica em grande escala transferem energia de uma parte do globo para outra. Ambos são exemplos de convecção natural.

Figura\(\PageIndex{1}\): O ar aquecido pelo chamado forno gravitacional se expande e sobe, formando um circuito convectivo que transfere energia para outras partes da sala. À medida que o ar é resfriado no teto e nas paredes externas, ele se contrai, eventualmente se tornando mais denso do que o ar ambiente e afundando no chão. Um sistema de aquecimento projetado adequadamente usando convecção natural, como este, pode ser bastante eficiente para aquecer uniformemente uma casa.

A figura mostra um fogão no qual é colocada uma panela contendo água. A frente da panela é cortada para mostrar a água. Dois pares de flechas semicirculares estão nas regiões esquerda e direita da água. O par esquerdo indica movimento anti-horário da água à esquerda e o par direito indica movimento horário da água à direita. Várias bolhas também são mostradas. — Figura\(\PageIndex{2}\): A convecção desempenha um papel importante na transferência de calor dentro desta panela de água. Uma vez conduzida para o interior, a transferência de calor para outras partes da panela ocorre principalmente por convecção. A água mais quente se expande, diminui em densidade e sobe para transferir calor para outras regiões da água, enquanto a água mais fria afunda para o fundo. Esse processo continua se repetindo.

Experiência para levar para casa: rolos de convecção em uma panela aquecida

Pegue dois potes pequenos de água e use um conta-gotas para colocar uma gota de corante alimentar perto do fundo de cada um. Deixe um em uma bancada e aqueça o outro no fogão. Veja como a cor se espalha e quanto tempo ela leva para chegar ao topo. Veja como os laços convectivos se formam.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating Heat Transfer by Convection: Convection of Air Through the Walls of a House

A maioria das casas não é hermética: o ar entra e sai pelas portas e janelas, passa por rachaduras e fendas, segue a fiação até interruptores e tomadas, e assim por diante. O ar em uma casa típica é completamente substituído em menos de uma hora. Suponha que uma casa de tamanho moderado tenha dimensões internas\(12.0m \times 18.0 m \times 3.00 m\) altas e que todo o ar seja substituído em 30,0 min. Calcule a transferência de calor por unidade de tempo em watts necessária para aquecer o ar frio entrante\(10.0^oC\), substituindo assim o calor transferido apenas por convecção.

Estratégia

O calor é usado para elevar a temperatura do ar, de modo que\(Q = mc\Delta T\). A taxa de transferência de calor é então\(Q/t\), onde\(t\) está o tempo para a renovação do ar. Entendemos\(\Delta T\) que sim\(10.0^oC\), mas ainda precisamos encontrar valores para a massa de ar e seu calor específico antes de podermos calcular\(Q\). O calor específico do ar é uma média ponderada dos calores específicos de nitrogênio e oxigênio, que é\(c = c_p \approx 1000 \, J/kg \cdot ^oC\) fornecida pela tabela (observe que o calor específico em pressão constante deve ser usado para esse processo).

Solução

Determine a massa de ar a partir de sua densidade e do volume determinado da casa. A densidade é dada a partir da densidade\(\rho\) e do volume\[m = \rho V = (1.29 \, kg/m^3)912.0 \, m \times 18.0 \, m \times 3.00 \, m) = 836 \, kg\]
Calcule o calor transferido pela mudança na temperatura do ar\(Q = mc \Delta T\) para que\[Q = (836 \, kg)(1000 \, J/kg \cdot^oC)(10.0^oC) = 8.36 \times 10^6 \, J.\]
Calcule a transferência de calor do calor\(Q\) e o tempo de renovação\(t\). Como o ar é entregue\(t = 0.500 \, h = 1800 \, s\), o calor transferido por unidade de tempo é\[\dfrac{Q}{t} = \dfrac{8.36 \times 10^6 \, J}{1800 \, s} = 4.64 \, kW.\]

Discussão

Essa taxa de transferência de calor é igual à energia consumida por cerca de quarenta e seis lâmpadas de 100 W. As casas recém-construídas são projetadas para um tempo de rotatividade de 2 horas ou mais, em vez de 30 minutos para a casa deste exemplo. A remoção de intempéries, a calafetagem e as vedações aprimoradas de janelas são comumente empregadas. Às vezes, medidas mais extremas são tomadas em climas muito frios (ou quentes) para atingir um padrão rígido de mais de 6 horas para uma rotação de ar. Tempos de renovação ainda mais longos não são saudáveis, porque uma quantidade mínima de ar fresco é necessária para fornecer oxigênio para respirar e diluir os poluentes domésticos. O termo usado para o processo pelo qual o ar externo vaza para dentro da casa devido a rachaduras nas janelas, portas e fundações é chamado de “infiltração de ar”.

Um vento frio é muito mais frio do que ar ainda frio, porque a convecção se combina com a condução no corpo para aumentar a taxa na qual a energia é transferida para fora do corpo. A tabela abaixo fornece fatores aproximados de resfriamento do vento, que são as temperaturas do ar parado que produzem a mesma taxa de resfriamento do ar de uma determinada temperatura e velocidade. Os fatores de resfriamento do vento são um lembrete dramático da capacidade da convecção de transferir calor mais rápido do que a condução. Por exemplo, um vento de 15,0 m/s em\(0^oC\) tem o equivalente de resfriamento de ar parado em cerca de\(-18^oC\).

Temperatura do ar em movimento Velocidade do vento (m/s)

\(^oC\)	2	5	10	15	20
\ (^oC\)” style="text-align:center; "> 5	3	-1	-8	-10	-12
\ (^oC\)” style="text-align:center; "> 2	0	-7	-12	-16	-18
\ (^oC\)” style="text-align:center; "> 0	-2	-9	-15	-18	-20
\ (^oC\)” style="text-align:center; "> -5	-7	-15	-22	-26	-29
\ (^oC\)” style="text-align:center; "> -10	-12	-21	-29	-34	-36
\ (^oC\)” style="text-align:center; "> -20	-23	-34	-44	-50	-52
\ (^oC\)” style="text-align:center; "> -40	-44	-59	-73	-82	-84

Embora o ar possa transferir calor rapidamente por convecção, é um mau condutor e, portanto, um bom isolante. A quantidade de espaço disponível para o fluxo de ar determina se o ar atua como isolante ou condutor. O espaço entre as paredes internas e externas de uma casa, por exemplo, é de cerca de 9 cm (3,5 pol.) — grande o suficiente para que a convecção funcione de forma eficaz. A adição de isolamento de parede evita o fluxo de ar, portanto, a perda (ou ganho) de calor é reduzida. Da mesma forma, o espaço entre os dois painéis de uma janela de vidro duplo é de cerca de 1 cm, o que evita a convecção e aproveita a baixa condutividade do ar para evitar maiores perdas. Pele, fibra e fibra de vidro também aproveitam a baixa condutividade do ar ao prendê-lo em espaços muito pequenos para suportar a convecção, conforme mostrado na figura. O pelo e as penas são leves e, portanto, ideais para a proteção dos animais.

A figura mostra uma visão transversal de um corpo coberto por uma camada de pele. Várias alças de convecção são mostradas na pele. O ar externo do pelo é frio e o corpo abaixo do pelo está quente. — Figura\(\PageIndex{3}\): A pele está cheia de ar, dividindo-a em muitos bolsos pequenos. A convecção é muito lenta aqui, porque os laços são muito pequenos. A baixa condutividade do ar torna a pele um excelente isolante leve.

Alguns fenômenos interessantes acontecem quando a convecção é acompanhada por uma mudança de fase. Ele nos permite esfriar suando, mesmo que a temperatura do ar ambiente exceda a temperatura corporal. O calor da pele é necessário para que o suor evapore da pele, mas sem fluxo de ar, o ar fica saturado e a evaporação é interrompida. O fluxo de ar causado pela convecção substitui o ar saturado pelo ar seco e a evaporação continua.

Exemplo\(\PageIndex{2}\): Calculate the Flow of Mass during Convection: Sweat-Heat Transfer away from the Body

A pessoa média produz calor a uma taxa de cerca de 120 W quando está em repouso. Em que ritmo a água deve evaporar do corpo para se livrar de toda essa energia? (Essa evaporação pode ocorrer quando uma pessoa está sentada na sombra e a temperatura ambiente é igual à temperatura da pele, eliminando a transferência de calor por outros métodos.)

Estratégia

A energia é necessária para uma mudança de fase\((Q = mL_v)\). Assim, a perda de energia por unidade de tempo é\[\dfrac{Q}{t} = \dfrac{mL_v}{t} = 120 \, W = 120 \, J/s.\]

Dividimos os dois lados da equação por\(L_v\) para descobrir que a massa evaporada por unidade de tempo é\[\dfrac{m}{t} = \dfrac{120 \, J/s}{L_v}.\]

Solução

(1) Insira o valor do calor latente de [link],\(L_v = 2430 \, kJ/kg = 2430 \, J/g\). Isso rende\[\dfrac{m}{t} = \dfrac{120 \, J/s}{2430 \, J/g} = 0.0494 \, g/s = 2.96 \, g/min.\]

Discussão

Evaporar cerca de 3 g/min parece razoável. Isso seria cerca de 180 g (cerca de 7 onças) por hora. Se o ar estiver muito seco, o suor pode evaporar sem nem mesmo ser notado. Uma quantidade significativa de evaporação também ocorre nos pulmões e nas vias respiratórias.

Outro exemplo importante da combinação de mudança de fase e convecção ocorre quando a água evapora dos oceanos. O calor é removido do oceano quando a água evapora. Se o vapor de água se condensar em gotículas de líquido à medida que as nuvens se formam, o calor é liberado na atmosfera. Assim, há uma transferência geral de calor do oceano para a atmosfera. Esse processo é a força motriz por trás das tempestades, aquelas grandes nuvens cumulus que sobem até 20,0 km na estratosfera. O vapor de água transportado pela convecção condensa, liberando enormes quantidades de energia. Essa energia faz com que o ar se expanda e suba, onde está mais frio. Mais condensação ocorre nessas regiões mais frias, o que, por sua vez, eleva ainda mais a nuvem. Esse mecanismo é chamado de feedback positivo, pois o processo se reforça e se acelera. Esses sistemas às vezes produzem tempestades violentas, com raios e granizo, e constituem o mecanismo que impulsiona os furacões.

A figura mostra uma nuvem cumulus em um céu azul. — Figura\(\PageIndex{4}\): As nuvens cumulus são causadas pelo vapor de água que sobe devido à convecção. O aumento das nuvens é impulsionado por um mecanismo de feedback positivo. (crédito: Mike Love)

A figura mostra relâmpagos de nuvens trovoadas acima de uma área urbana. — Figura\(\PageIndex{5}\): A convecção acompanhada por uma mudança de fase libera a energia necessária para conduzir esse trovão para a estratosfera. (crédito: Gerardo García Moretti)

A figura mostra alguns icebergs de cor azul flutuando na água sob montanhas cobertas de neve e um céu nublado. Alguns dos icebergs na frente estão derretendo. — Figura\(\PageIndex{6}\): A mudança de fase que ocorre quando esse iceberg derrete envolve uma tremenda transferência de calor. (crédito: Dominic Alves)

O movimento dos icebergs é outro exemplo de convecção acompanhado por uma mudança de fase. Suponha que um iceberg saia da Groenlândia para as águas mais quentes do Atlântico. O calor é removido da água quente do oceano quando o gelo derrete e o calor é liberado para a massa terrestre quando o iceberg se forma na Groenlândia.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Explique por que usar um ventilador no verão é revigorante!

Resposta: Usar um ventilador aumenta o fluxo de ar: o ar quente próximo ao corpo é substituído pelo ar mais frio de outros lugares. A convecção aumenta a taxa de transferência de calor para que o ar em movimento “pareça” mais frio do que o ar parado.

Resumo

A convecção é a transferência de calor pelo movimento macroscópico da massa. A convecção pode ser natural ou forçada e geralmente transfere energia térmica mais rapidamente do que a condução. A tabela fornece fatores de resfriamento do vento, indicando que o ar em movimento tem o mesmo efeito de resfriamento de um ar estacionário muito mais frio. A convecção que ocorre junto com uma mudança de fase pode transferir energia de regiões frias para regiões quentes.