O estudo da transferência de calor por convecção

1 INTRODUÇÃO

A temperatura mede o grau de energia cinética das partículas de um sistema. O calor, por sua vez, é a quantidade de energia - que foi ganha ou cedida de um corpo a outro - dentro de um sistema em equilíbrio térmico. Existem três modos de transferência de calor, sendo que:

. Todos os modos de transferência requerem da existência de uma diferença de temperatura.

. Em todos os casos, a transferência ocorre de alta temperatura a baixa temperatura.

Os três mecanismos de transferência de calor são:

1. Condução: é a transferência de energia das partículas mais energética de uma substância as menos energéticas, como resultado da interação entre partículas.

2. Convecção: é o modo de transferência de energia entre uma superfície sólida e o fluido adjacente.

3. Radiação: é a energia emitida pela matéria na forma de ondas eletromagnéticas como resultado das mudanças nas configurações eletrônicas do átomo ou moléculas.

Este trabalho consiste, no entanto, no estudo da transferência de calor por convecção. Esta, por sua vez é uma forma de transmissão a qual ocorre principalmente em gases e líquidos. Ao contrário da condução em que o calor é transmitido sucessivamente, na convecção a propagação do calor ocorre através do movimento do fluído envolvendo transporte de matéria.

2 OBJETIVOS

Ao estudar essa forma de transferência de calor, buscamos atingir alguns objetivos, como:

1. Compreender a relação entre a termodinâmica e a transferência de calor.

2. Distiguir a energia térmica de outra fontes de energia, e a transferência e calor de outras formas de transferência de energia.

3. Compreender a “Lei de Resfriamento de Newton” (Convecção).

4. Identificar os mecanismos de transferência de calor que ocorrem sumultaneamente na prática.

5. Resolver problemas de transferência de calor.

3 CONVECÇÃO

3.1. Definição

A convecção é um fenômeno que se caracteriza pelo movimento da massa em um fluido, decorrente da diferença de densidade de uma matéria gasosa ou líquida.

A convecção térmica engloba, na verdade, dois fenômenos físicos: convecção e subtração, se considerarmos a diferença de temperatura no fluido; isto é, ocorre em decorrência da dilatação térmica e das regras de flutuabilidade.

Em suma, ela pode ser definida como uma corrente fechada de matéria, que proporciona a transferência de calor pela circulação do fluido, que se movimenta devido a flutuação ocasionada pela mudança de densidade¹.

3.2. Causas

A convecção térmica é chamada de convecção natural quando um sistema torna-se instável, e para que haja um equilíbrio térmica, há um processo de mistura através da movimentação da massa.

A Termodinâmica trata de sistemas em equilíbrios, pode ser utilizada para calcular a quantidade de calor necessária para que um sistema passe de um estado de equilíbrio estável para outro, porém não pode prever a rapidez com que esta mudança irá ocorrer, pois o sistema não esta em equilíbrio durante este processo.

A transferência de calor (TC) é a energia em transito devido a uma diferença de temperatura (sistema em desequilíbrio). No caso da convecção, a transferência de calor só ocorre em presença da gravidade. Ainda que:

“Convecção natural será mais provável e/ou mais rápido com uma maior variação em densidade entre os dois fluidos, uma maior aceleração devido a gravidade que impulsiona a convecção, e/ou uma distância maior através do meio convectivo. Convecção será menos provável e/ou menos rápida com uma difusão mais rápida (assim afastado o gradiente de difusão que está causando a convecção) e/ou um mais fluido viscoso ("espesso").” (http://pt.wikipedia.org/wiki/Convec%C3%A7%C3%A3o)

3.3. “Lei de Resfriamento de Newton”

Como haviamos citado na introdução, a trasnferência de calor será de um corpo mais quente para um corpo mais frio, a fim de que se alcance o equilíbrio térmico.

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¹ Densidade (Unidade SI: kg/m³) é uma propriedade da matéria que está diretamente ligada a temperatura e a pressão em que o material se encontra, visto que ela depende do volume por ele – material – ocupado.

Fórmula: densidade = massa/volume d = m/v

“A lei de resfriamento de Newton nos diz que a taxa de transferência de calor é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre os corpos (a e b) ou seja, (dQ/dt) α (Tb – Ta).

Em se tratando de corpos (à temperatura T) que se resfriam em contato com o meio ambiente (à temperatura Ta - um reservatório infinito que não varia sua temperatura).

(dQ/dt) = hA.(T – Ta) (1)

A é a área de contato do corpo com o ambiente e h uma constante característica do sistema. De igual maneira, o calor trocado (fornecido) por um corpo pode ser escrito:

dQ = - mcdT = - CdT (2)

m = massa do corpo

c = calor específico da substância

C = capacidade térmica”

(www.dfq.pucminas.br/.../praticafis2-BARR-6-RESFRIAMENTO.doc)

4 FENÔMENOS NATURAIS

4.1. Convecção nos Mares e Oceanos

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4.2. Convecção na Atmosfera

4.2.1. Inversão Térmica

A inversão Térmica é um fenômeno climático, no qual a temperatura da atmosfera, que geralmente, diminui com a altitude (quanto mais alto, mais frio), sofre uma inversão devido ao movimento de ascendência do ar quente, que é mais leve (menos denso) e por isso tende a subir.

Esse fenômeno está diretamente relacionado a radiação