Convecção Térmica

NESTA AULA VAMOS CONTINUAR A RESPONDER A PERGUNTA:

"COMO O CALOR SE TRANSFERE DE UM LUGAR PARA O OUTRO?"

Na aula passada vimos que o calor pode se transmitir por condução, quando há contato entre corpos com temperaturas diferentes. A condução acontece em corpos em todos os estados da matéria (sólidos, líquidos e gases) porém é mais evidente em sólidos.

Porém há uma forma especifica de transmissão de calor em fluidos (em física, fluidos são líquidos e gases, mas não em sólidos) chamada CONVECÇÃO TÉRMICA.

O que é convecção térmica?

Convecção térmica, ou simplesmente convecção, é um processo de transmissão de calor. Quando um fluido, como o ar ou a água, é aquecido, suas porções mais quentes podem sofrer dilatação térmica, expandindo seu volume. Em outras palavras, esse fluido aquecido passa a ocupar um volume maior do que o fluido nos arredores.

Todo corpo inserido em um meio líquido ou gasoso sofre a ação de uma força vertical para cima, chamada de empuxo. Essa força é proporcional ao volume do fluido deslocado pelo corpo. Como o líquido aquecido passa a ocupar um volume maior, ele sofre mais empuxo e sobe, dando origem a um movimento ascendente. A subida do fluido aquecido dá espaço para que as porções mais frias e mais densas do fluido desçam, formando um movimento descendente. O processo continua até que todo o fluido esteja sob a mesma temperatura.

Assista ao vídeo abaixo:

Vamos entender isso melhor:

Vimos nas aulas passadas que quando um corpo recebe calor ele aumenta sua temperatura e com isso ele se dilata (aumenta seu volume). E quando um corpo cede calor ele diminui sua temperatura e com isso ele se contrai (diminui seu volume).

Se um fluido aumenta seu volume (mas continua com a mesma massa) ele fica menos denso, ou seja, ele fica "mais leve" que o fluido que está em seu entorno (na verdade ele não fica mais leve, pois sua massa não muda, mas ele fica menos denso pois a mesma massa está ocupando um volume maior). Por isso aparece ele tende a subir.

O oposto também é verdadeiro. Se um fluido se contrai porque esfriou, ele fica mais denso e sua tendencia é descer.

Na animação abaixo o ar quente está representado de vermelho e o ar frio está azul.

Perceba que o ar frio, por ser mais denso, tende a ir para baixo e o ar queente, por ser menos denso, tende a subir.

A mesma coisa ocorre na água (que também é um fluido). Na animação abaixo temos uma fonte de calor esquentando a água numa panela. Veja:

A água no centro da panela, que está em contato mais próximo com a chama, fica quente mais rápido, por isso dilata mais (fica menos densa) e sobe. A água que está nas bordas, está mais fria (mais densa) e desce, gerando esse movimento interno no fluido que chamamos de "correntes de convecção".

EXEMPLOS:

Por que o aparelho de ar condicionado fica no alto?

O funcionamento do aparelho de ar condicionado se baseia na retirada de ar quente do ambiente e devolução de ar frio, refrigerado, para o mesmo. Isso ocorre baseado na forma de transferência de calor, denominada de convecção. A convecção é um processo de troca de calor que acontece através das correntes de convecção. É devido a essas correntes que o ar do meio, onde está localizado o condicionador de ar, fica bem agradável. Mas por que ele sempre é colocado na parte superior do ambiente?

A resposta para essa pergunta é bem simples. Como já foi dito, o ar condicionado refrigera o ar através das correntes de convecção que ocorrem quando ele é ligado. Essas correntes ocorrem em razão das diferenças de densidade do ar frio e do ar quente. O ar quente sendo menos denso sobe, em contra partida, o ar frio (mais denso) desce, formando as correntes de convecção. Por esse motivo é que o ar condicionado é colocado na parte superior do ambiente. O mesmo acontece na geladeira, propiciando, assim, o refrigeramento dos alimentos que se encontra em seu interior.

COMO FUNCIONA A GELADEIRA ?

A geladeira é um dispositivo comum em nossas residências. A sua função é manter resfriado o que lhe for colocado dentro, tanto na parte de cima (congelador) quanto na parte de baixo.

O resfriamento da geladeira por um todo ocorre por meio do congelador, que é por onde passa o gás sob alta pressão e baixa temperatura. Os corpos que estiverem ali buscarão o equilíbrio térmico com o congelador cedendo energia térmica a ele, incluindo o ar que está dentro da geladeira.

O congelador é posicionado na parte superior da geladeira com a finalidade de resfriar também o que está na parte inferior.

O princípio físico envolvido nesse processo é a transferência de energia térmica por convecção. Nesse processo, o ar frio torna-se mais denso, pois suas moléculas estão menos agitadas, ocupando assim um menor volume (nas moléculas de ar); diferentemente do ar quente, que é mais denso que o frio em razão da maior agitação de suas moléculas que ocupam um maior volume.

Em virtude da diferença de densidade entre o ar quente e o ar frio dentro da geladeira, ocorre a troca de posição entre eles, pois a ação da gravidade atrairá o ar mais denso (ar frio) e logo a parte inferior da geladeira também é resfriada; eis o motivo do congelador estar localizado na parte superior da geladeira.

A CONVECÇÃO EXPLICA OS VENTOS E AS BRISAS:

Durante o dia, o ar próximo à superfície terrestre se aquece mais rápido do que o ar próximo à superfície do mar. O ar aquecido no continente sobe e o ar que está acima do mar desce para o continente para ocupar o espaço da quantidade de ar que sobe. Assim, formam-se correntes de convecção que constituem a brisa marítima e a brisa terrestre.

A noite, após um dia ensolarado, o sentido das brisas é invertido, pois assim como a areia se aquece mais rápido do que a água do mar ao ser exposta ao sol, também se resfria mais rápido ao perder calor.

AGORA É COM VOCÊ:

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REFERENCIAS:

HELERBROCK, Rafael. "O que é convecção?"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-conveccao.htm. Acesso em 26 de junho de 2020.

https://www.todamateria.com.br/conveccao-termica/

https://www.ipma.pt/pt/enciclopedia/otempo/previsao.numerica/index.html?page=aladin.brisa.mar.xml&print=true