O fenômeno da convecção e exemplos de convecção

Se você aproximar sua mão de uma lâmpada acesaou coloque a palma da mão sobre um fogão quente, você pode sentir o movimento das correntes de ar quente. O mesmo efeito pode ser observado ao vibrar uma folha de papel colocada sobre uma chama aberta. Ambos os efeitos são atribuídos à convecção.

O que é?

O fenômeno de convecção é baseado na expansão de maissubstância fria em contato com massas quentes. Em tais circunstâncias, a substância a ser aquecida perde sua densidade e torna-se mais leve em comparação com o espaço frio circundante. Esta característica do fenômeno corresponde com maior precisão ao movimento dos fluxos de calor quando a água é aquecida.

Movimento de moléculas em direções opostassob a influência do calor é exatamente no que se baseia a convecção. Radiação e condutividade térmica são processos semelhantes, mas se relacionam principalmente com a transferência de energia térmica em sólidos.

Exemplos marcantes de convecção são o movimento de calorar no meio de uma sala com dispositivos de aquecimento, quando as correntes aquecidas se movem para o teto, e o ar frio desce até a própria superfície do chão. É por isso que, quando o aquecimento está ligado na parte superior da sala, o ar é visivelmente mais quente do que na parte inferior da sala.

Lei de Arquimedes e expansão térmica dos corpos físicos

Para entender o que é naturalconvecção, basta considerar o processo a exemplo da ação da lei de Arquimedes e do 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 nos volumes de líquido. O líquido aquecido por baixo dos recipientes sobe mais alto, e a umidade de maior densidade, conseqüentemente, desce mais. No caso de aquecimento de cima, líquidos mais e menos densos permanecerão em seus lugares, caso em que o fenômeno não ocorrerá.

O surgimento do conceito

Pela primeira vez, o termo "convecção" foi proposto pelo cientista inglês William Pruth em 1834. Era usado para descrever o movimento de massas térmicas em líquidos aquecidos e em movimento.

Os primeiros estudos teóricos do fenômenoa convecção começou apenas em 1916. Durante os experimentos, verificou-se que a transição da difusão para a convecção em líquidos aquecidos por baixo ocorre quando alguns valores críticos de temperatura são atingidos. Posteriormente esse valor foi definido como "número de 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 que estamos descrevendofenômenos - convecção natural e forçada. Um exemplo do movimento de correntes de ar quente e frio no meio de uma sala caracteriza perfeitamente o processo de convecção natural. Já o forçado, pode ser observado mexendo o líquido com uma colher, bomba ou mexedor.

A convecção não é possível ao aquecer sólidos.É tudo culpa da atração mútua bastante forte quando suas partículas sólidas vibram. Como resultado do aquecimento de corpos de uma estrutura sólida, a convecção e a radiação não surgem. A condutividade térmica substitui os fenômenos indicados em tais corpos e promove a transferência de energia térmica.

Um tipo separado é o assim chamadoconvecção capilar. O processo ocorre quando a temperatura cai durante o movimento do líquido pelas tubulações. Em condições naturais, o significado de tal convecção, junto 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 estão se tornando fatores muito significativos. Mesmo os movimentos convectivos mais fracos em gravidade zero levam a dificuldades na implementação de alguns problemas técnicos.

Convecção nas camadas da crosta terrestre

Os processos de convecção estão inextricavelmente ligados comformação natural de substâncias gasosas na espessura da crosta terrestre. Considere o globo como uma esfera que consiste em várias camadas concêntricas. Bem no centro está um grande núcleo quente, que é uma massa líquida de alta densidade contendo ferro, níquel e outros metais.

As camadas circundantes do núcleo da Terra sãolitosfera e 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 decorrer do aquecimento desigual de várias partes do manto e das rochas, que diferem em sua composição e densidade, formam-se fluxos convectivos. É sob a influência de tais fluxos que ocorre a transformação natural do fundo do oceano e o movimento dos continentes portadores.

Diferenças entre convecção e condutividade térmica

A condutividade térmica deve ser entendida comoa capacidade dos corpos físicos de transferir calor por meio do movimento de compostos atômicos e moleculares. Os metais são excelentes condutores de calor, uma vez que suas moléculas estão em contato próximo umas com as outras. Pelo contrário, as substâncias gasosas e voláteis são péssimos condutores de calor.

Como ocorre a convecção?A física do processo é baseada na transferência de calor devido ao movimento livre da massa de moléculas de substâncias. Por sua vez, a condutividade térmica está unicamente na transferência de energia entre as partículas constituintes de um corpo físico. No entanto, tanto um como o outro processo são impossíveis sem a presença de partículas de matéria.

Exemplos do fenômeno

O mais simples e fácil de entenderum exemplo de convecção é o processo de funcionamento de uma geladeira comum. A circulação do gás freon resfriado pelos tubos da câmara de refrigeração leva a uma diminuição da temperatura das camadas superiores do ar. Assim, sendo substituídos por riachos mais quentes, os frios descem, resfriando os produtos.

Localizado na parte de trás da geladeiraa grelha desempenha o papel de elemento que facilita a retirada do ar quente formado no compressor da unidade durante a compressão do gás. O resfriamento da grelha também é baseado em mecanismos convectivos. É por esta razão que não é recomendável desorganizar o espaço atrás do frigorífico. Afinal, somente neste caso o resfriamento pode ocorrer sem dificuldade.

Outros exemplos de convecção podem ser vistos observandopor trás de um fenômeno natural como o movimento do vento. Aquecendo-se sobre continentes áridos e esfriando-se sobre terrenos mais severos, as correntes de ar começam a se deslocar, o que leva ao seu movimento, bem como ao movimento de umidade e energia.

A convecção está ligada à possibilidade de pássaros pairando eplanadores. Massas de ar menos densas e mais quentes com aquecimento desigual próximo à superfície da Terra levam à formação de correntes ascendentes, que contribuem para o processo de vaporização. Para superar distâncias máximas sem o gasto de força e energia, os pássaros precisam ser capazes de encontrar essas correntes.

Bons exemplos de convecção são a geração de fumaça emchaminés 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 esfria, a fumaça gradualmente se instala na baixa atmosfera. É por esta razão que os tubos industriais, através dos quais são libertadas substâncias nocivas para a atmosfera, são fabricados o mais alto possível.

Os exemplos mais comuns de convecção na natureza e tecnologia

Entre os exemplos mais simples e compreensíveis que podem ser observados na natureza, no dia a dia e na tecnologia, vale destacar:

• movimento dos fluxos de ar durante o funcionamento de baterias de aquecimento doméstico;
• formação e movimento de nuvens;
• o processo de movimento do vento, monções e brisas;
• deslocamento de placas de terra tectônicas;
• processos que levam à formação de gás livre.

Cozinhando comida

Mais e mais frequentemente, o fenômeno da convecção é realizado emaparelhos domésticos modernos, em especial em fornos. O gabinete de convecção de gás permite cozinhar alimentos diferentes ao mesmo tempo, em níveis separados e em temperaturas diferentes. Ao mesmo tempo, a mistura de sabores e cheiros é completamente excluída.

Aquecimento de ar em forno tradicionalbaseia-se no funcionamento de um único queimador, o que conduz a uma distribuição desigual do calor. Devido ao movimento direcionado das correntes de ar quente usando um ventilador especializado, os pratos no forno de convecção são mais suculentos e melhor assados. Esses aparelhos aquecem mais rápido, o que reduz o tempo necessário para cozinhar.

Naturalmente, para donas de casa que cozinham emforno apenas algumas vezes por ano, um eletrodoméstico com função de convecção não pode ser considerado uma técnica essencial. No entanto, para aqueles que não podem viver sem experiências culinárias, tal dispositivo se tornará simplesmente insubstituível na cozinha.

Esperamos que o material apresentado tenha sido útil para você. Tudo de bom!