Convecção

A convecção é a propagação de calor entre uma superfície sólida e um fluido, ocasionada pelo movimento do fluido, que pode ser natural, quando o fluido mais quente sobe e o fluido mais frio desce, ou forçada, quando o fluido flui obrigatoriamente em uma direção por uma força externa.

Leia também: Afinal, o que é calor?

Resumo sobre convecção

• A convecção é uma forma de transmissão de calor, assim como a condução e radiação.
• A convecção pode ser natural ou forçada.
• As brisas marítimas, aquecimento dos corpos e resfriamento dos corpos são exemplos de convecção.
• A quantidade de calor na convecção é diretamente proporcional ao coeficiente de transferência de calor por convecção, a área da superfície em que ocorre a convecção e a diferença entre a temperatura da superfície e a temperatura do fluido.

O que é convecção?

A convecção é o modo de transmissão de calor que ocorre entre uma superfície sólida e um fluido (um líquido ou um gás adjacente) devido ao movimento do fluido, de modo que em movimentos mais rápidos do fluido ocorrem maiores transferências de calor por convecção.

Exemplos de convecção

A propagação de calor por convecção permite o aquecimento de líquidos em panelas levadas ao fogo, aquecimento e resfriamento por meio das correntes de ar atmosférico, conservação dos alimentos na geladeira e congelador, e formação de brisas marítimas.

Tipos de convecção

Os tipos de convecção são convecção natural e conveccção forçada:

• Convecção natural (ou livre): ocorre quando o fluido não é obrigado a fluir em determinada direção, dessa forma ele flui devido a diferenças de densidade em razão de diferenças de temperatura no fluido, em que o fluido quente sobe e o fluido frio desce.

• Convecção forçada: ocorre quando o fluido é obrigado a fluir em determinada direção através de algum mecanismo externo, como ventilador, ventoinha, vento ou bomba.

Fórmula da convecção

A fórmula da convecção é expressa pela lei de resfriamento de Newton, dada pela expressão:

\(Q_{\text{conv}} = h \cdot A_s \cdot (T_s - T_{\infty})\)

• Q_conv  → quantidade de calor na convecção, medida em Watt [W] .
• h  → coeficiente de transferência de calor por convecção, medido em [\(\text{W/m}^2 \cdot \text{°C} \)] .
• A_s  → área da superfície em que ocorre a transferência de calor por convecção, medida em metros quadrados [m²].
• T_s  → temperatura da superfície, medida em graus Celsius [℃].
• \(T_{\infty} \)  → temperatura do fluido suficientemente longe da superfície, medida em graus Celsius [℃].

Diferenças entre convecção, irradiação e condução

A transmissão do calor pode se dar por meio da condução, convecção ou radiação:

• Condução: temos a transmissão de calor ocorrendo nos sólidos por meio da agitação das moléculas ou pelo movimento dos elétrons livres e nos fluidos (líquidos e gases) por meio de colisões entre suas moléculas.
• Convecção: temos a transmissão de calor entre um sólido e um fluido ou entre diferentes regiões de um mesmo fluido por meio da variação de temperatura que levam ao movimento do fluido.
• Radiação: temos a transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas, que não precisam de um meio para se propagarem.

Para saber mais sobre as formas de propagação de calor, clique aqui.

Exercícios resolvidos sobre convecção

Questão 1

(Unicamp) Um isolamento térmico eficiente é um constante desafio a ser superado para que o homem possa viver em condições extremas de temperatura. Para isso, o entendimento completo dos mecanismos de troca de calor é imprescindível.

Em cada uma das situações descritas a seguir, você deve reconhecer o processo de troca de calor envolvido.

I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por __________.

II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por __________.

III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por __________.

Na ordem, os processos de troca de calor utilizados para preencher as lacunas corretamente são:

A) condução, convecção e radiação.

B) condução, radiação e convecção.

C) convecção, condução e radiação.

D) convecção, radiação e condução.

Resolução:

Alternativa D.

I. As prateleiras de uma geladeira doméstica são grades vazadas, para facilitar fluxo de energia térmica até o congelador por convecção.

II. O único processo de troca de calor que pode ocorrer no vácuo é por radiação.

III. Em uma garrafa térmica, é mantido vácuo entre as paredes duplas de vidro para evitar que o calor saia ou entre por condução.

Questão 2

(UFSCar) Um recipiente cilíndrico de vidro tem área da base relativamente pequena se comparada com a sua altura. Ele contém água, à temperatura ambiente, até quase a sua borda. A seguir, ele é colocado sobre a chama de um fogão, como ilustra a figura.

A transmissão do calor através das moléculas da água, durante seu aquecimento, ocorre apenas por:

A) condução

B) convecção

C) irradiação

D) condução e convecção

E) convecção e irradiação

Resolução:

Alternativa B.

A transmissão do calor através das moléculas da água, durante seu aquecimento, ocorre apenas por convecção.

Fontes

ÇENGEL, Yunus A.; GHAJAR, Afshin J. Tranferência de calor e massa. AMGH editora, 2009.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos da Física: Gravitação, Ondas e Termodinâmica (vol. 2). 10. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2016.

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). Editora Blucher, 2015.