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Fundada em 21 de dezembro de 1964 Mantenedora das Faculdades de Ciências Econômica, Administrativas e da Computação, Filosofia, Ciências e Letras Dom Bosco, Faculdade de Engenharia de Resende, Faculdade de Pedagogia e Letras e do Colégio de Aplicação de Resende 1
CONVECÇÃO TÉRMICA
FÊNOMENOS DE TRANSPORTE
Agatha de Carvalho Baptista Santos Martins – 21178004 Ana Júlia Andrade Duque – 21170029 Emanuele Silva Nossar Lima – 22178035 Leonardo Augusto Silveiro Sales – 21176001 Marcus Vinícius Valim da Silva Machado – 20178027 Rodrigo de Lima Eliziario – 21170027 Yasmim Ávila de Oliveira – 21170005 Resende 18 / 04 / 2023
Fundada em 21 de dezembro de 1964 Mantenedora das Faculdades de Ciências Econômica, Administrativas e da Computação, Filosofia, Ciências e Letras Dom Bosco, Faculdade de Engenharia de Resende, Faculdade de Pedagogia e Letras e do Colégio de Aplicação de Resende 2
1) INTRODUÇÃO
A transferência de calor é um processo físico que ocorre em fluidos (líquidos e gases) com diferentes temperaturas e que é essencial para diversos processos do nosso cotidiano. A convecção térmica é um dos principais mecanismos desse processo e se dá por meio da movimentação do próprio fluido, conduzindo a energia térmica pela circulação de suas moléculas. Entender a convecção térmica é crucial para o projeto e o aprimoramento de sistemas onde há transferência térmica, pois é um mecanismo importante em várias situações, como em processos industriais como refrigeração e resfriamento de motores ou em produção de energia elétrica em usinas termelétricas. Portanto compreender a convecção térmica é uma parte essencial para soluções que envolvem transferência de calor em diversos setores. Nesse relatório, abordaremos a definição e aplicação da convecção térmica, com exemplos que nos ajudarão a compreender melhor esse fenômeno. 2) DESENVOLVIMENTO A convecção é definida como a transferência de calor que ocorre devido ao deslocamento de massa fluida, como o ar ou a água. Esse mecanismo de transmissão de calor pode ser entendido como um processo onde a energia térmica se propaga devido ao transporte de matéria em decorrência das diferentes densidades do fluido. Por conseguinte, essas diferentes densidades têm como causa os gradientes de temperatura que cada parte do fluido apresenta, sendo essas: a parte quente, com menor densidade, e a parte fria, com densidade maior. Quando um fluido é aquecido, a porção quente irá sofrer uma dilatação térmica, aumentando seu volume e, consequentemente, diminuindo sua densidade. Esse líquido, ou gás, aquecido sofre uma força denominada força de empuxo, uma força vertical para cima que é proporcional ao volume e densidade do corpo. Imagine um corpo qualquer imergido num copo d’água, caso a densidade desse corpo for inferior à da água, ele irá flutuar, dessa maneira a resultante das forças verticais que atuam nesse corpo é nula (forças peso e empuxo). Seguindo exatamente esse princípio que temos as correntes de convecção, ou correntes convectivas. Ao colocar água em uma vasilha para ferver, observa-se que, conforme o líquido vai esquentando, há a formação de bolhas no fundo da panela. A água que se localiza no fundo se aquece primeiro que a porção acima, dessa forma se torna menos densa e, devido à atuação da força de empuxo, irá ascender, simultaneamente, a água acima, que se encontra mais fria, irá descender e se repousar ao fundo da vasilha, formando as correntes de convecção. Conforme o passar do tempo a água inteira é aquecida e entramos em outro fenômeno físico, denominado ebulição, que nada tem a ver com a convecção. Figura 01 – Correntes de convecção criadas na água de uma chaleira no fogão. Ilustração: Fouad A. Saad / Shutterstock.com
Fundada em 21 de dezembro de 1964 Mantenedora das Faculdades de Ciências Econômica, Administrativas e da Computação, Filosofia, Ciências e Letras Dom Bosco, Faculdade de Engenharia de Resende, Faculdade de Pedagogia e Letras e do Colégio de Aplicação de Resende 4 Por fim, embora a convecção seja uma característica de materiais fluidos (líquidos e gases), é possível ter a presença de superfícies sólidas nesse mecanismo de transporte de energia térmica. Como mencionado acima, a vasilha com a água em seu interior é o exemplo perfeito do papel de um sólido nesse fenômeno. Ainda, a taxa de transferência de calor por convecção de um fluido em contato com uma superfície aquecida ou resfriada é regida pela Lei de Resfriamento de Newton, que diz que a densidade de fluxo de calor é diretamente proporcional à diferença entre as temperaturas da superfície e do fluido: 𝑞̇ = 𝐴ℎ(𝑇𝑠 − 𝑇∞) Onde, 𝑞 = fluxo de calor; 𝐴 = área de transferência de calor, ou seja, área de contato do fluido com a superfície; ℎ = coeficiente de transferência de calor por convecção; 𝑇𝑠 = temperatura da superfície; 𝑇∞ = temperatura do fluido longe da superfície. É notável que a Lei de Resfriamento de Newton trata-se de uma equação relativamente simples, desse modo surge uma questão: como então esta lei aparentemente simples pode governar este fenômeno tão complexo? A resposta está diretamente relacionada ao seu coeficiente de transferência de calor. Para o coeficiente ℎ, temos que seu valor varia de acordo com a posição ao longo da superfície, ademais, seu valor em um sistema também irá depender da geometria do sólido, bem como das propriedades físicas do fluido e do tipo de convecção, sendo assim é comum adotar um valor médio para o sólido como um todo. Indicando, portanto, que a dificuldade encontrada na solução de problemas relacionados à convecção está ligada a determinação de coeficientes convectivos. 3) CONCLUSÃO Em resumo, a convecção é um processo importante de transferência de calor que ocorre em fluidos, com aplicações em muitas áreas da ciência e tecnologia, incluindo atmosfera terrestre, edifícios, cozinha e geração de energia elétrica. A compreensão da convecção e sua aplicação prática em diversos setores contribuem para a melhoria da qualidade de vida da sociedade. Estudar esse fenômeno é fundamental para o desenvolvimento de soluções mais eficientes e sustentáveis para as necessidades humanas além de ser crucial para o projetar e otimizar sistemas eficientes de aquecimento e resfriamento em edifícios e para prever o clima, a entender a dinâmica dos oceanos e a eventos climáticos extremos.
Fundada em 21 de dezembro de 1964 Mantenedora das Faculdades de Ciências Econômica, Administrativas e da Computação, Filosofia, Ciências e Letras Dom Bosco, Faculdade de Engenharia de Resende, Faculdade de Pedagogia e Letras e do Colégio de Aplicação de Resende 5
4) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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