Se você aproximar a mão de uma lâmpada elétrica ligada ou colocar a palma da mão sobre um fogão quente, poderá sentir o movimento das correntes de ar quente. O mesmo efeito pode ser observado quando uma folha de papel é oscilada sobre uma chama aberta. Ambos os efeitos são explicados por convecção.
O que é?
O fenômeno da convecção é baseado na expansão de uma substância mais fria em contato com massas quentes. Em tais circunstâncias, a substância aquecida perde sua densidade e torna-se mais leve em comparação com o espaço frio ao seu redor. Mais precisamente, essa característica do fenômeno corresponde ao movimento dos fluxos de calor quando a água é aquecida.
O movimento das moléculas em direções opostas sob a influência do aquecimento é exatamente o que a convecção se baseia. A radiação e a condutividade térmica são processos semelhantes, mas dizem respeito principalmente à transferência de energia térmica em sólidos.
Exemplos vívidos de convecção - o movimento do ar quente no meio de uma sala com aquecimentoeletrodomésticos, quando fluxos aquecidos se movem sob o teto e o ar frio desce até a superfície do piso. É por isso que, quando o aquecimento está ligado, o ar na parte superior da sala é visivelmente mais quente em comparação com a parte inferior da sala.
Lei de Arquimedes e expansão térmica dos corpos físicos
Para entender o que é a convecção natural, basta considerar o processo usando o exemplo da lei de Arquimedes e o fenômeno da expansão dos corpos sob a influência da radiação térmica. Assim, de acordo com a lei, um aumento na temperatura leva necessariamente a um aumento no volume de líquido. O líquido aquecido por baixo nos recipientes sobe mais alto e a umidade de maior densidade, respectivamente, se move mais baixo. No caso de aquecimento por cima, líquidos mais e menos densos permanecerão em seus lugares, caso em que o fenômeno não ocorrerá.
O surgimento do conceito
O termo "convecção" foi proposto pela primeira vez pelo cientista inglês William Prout em 1834. Foi usado para descrever o movimento de massas térmicas em líquidos aquecidos e em movimento.
Os primeiros estudos teóricos do fenômeno da convecção começaram apenas em 1916. Durante os experimentos, verificou-se que a transição da difusão para a convecção em líquidos aquecidos por baixo ocorre quando certos valores críticos de temperatura são atingidos. Posteriormente, esse valor foi definido como o "Número do Roel". Recebeu esse nome em homenagem ao pesquisador que o estudou. Os resultados dos experimentos permitiram explicar o movimento dos fluxos de calor sob a influência das forças de Arquimedes.
Tipos de convecção
Existem vários tipos do fenômeno que descrevemos - convecção natural e forçada. Um exemplo do movimento dos fluxos de ar quente e frio no meio de uma sala é a melhor forma de caracterizar o processo de convecção natural. Quanto ao forçado, pode ser observado ao misturar o líquido com uma colher, bomba ou agitador.
A convecção é impossível quando os sólidos são aquecidos. Isso se deve à forte atração mútua durante a vibração de suas partículas sólidas. Como resultado do aquecimento de corpos de estrutura sólida, a convecção e a radiação não ocorrem. A condutividade térmica substitui esses fenômenos em tais corpos e contribui para a transferência de energia térmica.
A chamada convecção capilar é um tipo separado. O processo ocorre quando a temperatura muda durante o movimento do fluido através das tubulações. Sob condições naturais, o significado de tal convecção, juntamente com a convecção natural e forçada, é extremamente insignificante. No entanto, na tecnologia espacial, a convecção capilar, a radiação e a condutividade térmica dos materiais tornam-se fatores muito significativos. Mesmo os movimentos convectivos mais fracos sob condições de ausência de peso dificultam a implementação de algumas tarefas técnicas.
Convecção nas camadas da crosta terrestre
Os processos de convecção estão inextricavelmente ligados à formação natural de substâncias gasosas na espessura da crosta terrestre. O globo pode ser considerado como uma esfera composta por várias camadas concêntricas. No centro está um núcleo quente maciço, que é uma massa líquida de alta densidade contendo ferro,níquel, bem como outros metais.
As camadas circundantes do núcleo da Terra são a litosfera e o manto semilíquido. A camada superior do globo é diretamente a crosta terrestre. A litosfera é formada por placas individuais que estão em movimento livre, movendo-se ao longo da superfície do manto líquido. No curso do aquecimento desigual de várias partes do manto e rochas, que diferem em diferentes composições e densidades, são formados fluxos convectivos. É sob a influência desses fluxos que ocorre a transformação natural do fundo oceânico e o movimento dos continentes de rolamento.
Diferenças entre convecção e condução de calor
A condutividade térmica deve ser entendida como a capacidade dos corpos físicos de transferir calor através do movimento de compostos atômicos e moleculares. Os metais são excelentes condutores de calor, pois suas moléculas estão em contato próximo umas com as outras. Pelo contrário, substâncias gasosas e voláteis agem como maus condutores de calor.
Como acontece a convecção? A física do processo é baseada na transferência de calor devido ao livre movimento da massa das moléculas das substâncias. Por sua vez, a condutividade térmica consiste unicamente na transferência de energia entre as partículas constituintes de um corpo físico. No entanto, ambos os processos são impossíveis sem a presença de partículas de matéria.
Exemplos do fenômeno
O exemplo mais simples e compreensível de convecção é o processo de um refrigerador comum. CirculaçãoO gás freon resfriado através dos tubos da câmara de refrigeração leva a uma diminuição da temperatura das camadas superiores de ar. Assim, sendo substituídos por fluxos mais quentes, os frios afundam, resfriando os produtos.
A grelha localizada no painel traseiro do refrigerador desempenha o papel de um elemento que facilita a retirada do ar quente formado no compressor da unidade durante a compressão do gás. O resfriamento da grade também é baseado em mecanismos convectivos. É por esta razão que não é recomendado desordenar o espaço atrás do refrigerador. Afinal, somente neste caso, o resfriamento pode ocorrer sem dificuldade.
Outros exemplos de convecção podem ser vistos observando um fenômeno natural como o movimento do vento. Aquecendo em continentes áridos e esfriando em terrenos mais agrestes, as correntes de ar começam a se deslocar, fazendo com que se movam, assim como a umidade e a energia.
A possibilidade de planar pássaros e planadores está ligada à convecção. Massas de ar menos densas e mais quentes, com aquecimento desigual próximo à superfície da Terra, levam à formação de correntes ascendentes, o que contribui para o processo de elevação. Para superar as distâncias máximas sem o gasto de força e energia, os pássaros precisam da capacidade de encontrar esses riachos.
Bons exemplos de convecção são a formação de fumaça em chaminés e crateras vulcânicas. O movimento ascendente da fumaça é baseado em sua temperatura mais alta e densidade mais baixa em comparação com o ambiente. À medida que a fumaça esfria, ela gradualmente se instala nas camadas mais baixas da atmosfera. Exatamente por esse motivotubulações industriais, através das quais substâncias nocivas são liberadas na atmosfera, são feitas o mais alto possível.
Os exemplos mais comuns de convecção na natureza e tecnologia
Entre os exemplos mais simples e de fácil compreensão que podem ser observados na natureza, no cotidiano e na tecnologia, destacamos:
- fluxo de ar durante a operação de baterias de aquecimento doméstico;
- formação e movimento de nuvens;
- o processo de movimento do vento, monções e brisas;
- deslocamento das placas tectônicas;
- processos que levam à formação de gás livre.
Cozinhar
Cada vez mais, o fenômeno da convecção é realizado em eletrodomésticos modernos, em particular em fornos. O armário de gás com convecção permite cozinhar diferentes pratos ao mesmo tempo em níveis separados a diferentes temperaturas. Isso elimina completamente a mistura de sabores e cheiros.
O forno tradicional conta com um único queimador para aquecer o ar, resultando em uma distribuição de calor desigual. Devido ao movimento proposital de fluxos de ar quente com a ajuda de um ventilador especializado, os pratos em um forno de convecção ficam mais suculentos e melhor assados. Esses aparelhos aquecem mais rápido, o que reduz o tempo necessário para cozinhar.
Claro, para as donas de casa que cozinham no forno apenas algumas vezes por ano, um eletrodoméstico coma função da convecção não pode ser chamada de técnica de primeira necessidade. No entanto, para aqueles que não podem viver sem experimentos culinários, tal dispositivo se tornará simplesmente indispensável na cozinha.
Esperamos que o material apresentado tenha sido útil para você. Boa sorte!
