44- Descreva o processo de transmissão de calor por convecção.

Passo 1

O enunciado pede para descrever o mecanismo de transferência de calor por convecção. O conteúdo é transferência de calor (termodinâmica / mecânica dos fluidos) e vamos precisar entender como a condução no fluido e o escoamento convectivo interagem.

Passo 2

Convecção é o processo de transferência de calor entre uma superfície sólida e um fluido em movimento adjacente, resultante da combinação de:
  • condução térmica através da camada limite estacionária junto à superfície, e
  • transporte advectivo (movimento em massa) do calor pelo escoamento do fluido.

Passo 3

Quando um fluido repousa em contato com uma superfície cuja temperatura T_s difere da temperatura do fluido em grande distância T_\infty, forma-se uma camada limite térmica sobre a superfície. Nessa película:
  1. O calor flui por condução de T_s até a borda da camada limite.
  2. A partir daí, o fluido em movimento transporta (advecta) esse calor para o restante do domínio.

Passo 4

Existem duas modalidades principais:
  1. Convecção natural (ou livre): o movimento do fluido é gerado por forças de flutuabilidade resultantes de variações de densidade causadas por diferenças de temperatura.
  2. Convecção forçada: o fluido é impulsionado por meios externos (ventiladores, bombas, vento), impondo velocidades maiores e reduzindo a espessura da camada limite.

Passo 5

A taxa de transferência de calor convectivo é dada pela Lei de Resfriamento de Newton:
\dot Q = h \, A \,\bigl(T_s - T_\infty\bigr),
onde \dot Q é a potência térmica transferida, A é a área de troca, h é o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/ m^{2}·K), T_s é a temperatura da superfície e T_\infty é a temperatura do fluido distante.

Passo 6

O coeficiente h depende das propriedades do fluido \rho, \mu, k, c_p e do regime de escoamento, normalmente correlacionado por números adimensionais como:
\mathrm{Re} = \frac{\rho\,v\,L}{\mu}, \quad \mathrm{Pr} = \frac{\mu\,c_p}{k}, \quad \mathrm{Gr} = \frac{g\,\beta\,(T_s - T_\infty)\,L^3}{\nu^2},
e então usa-se correlações empíricas do tipo
\mathrm{Nu} = f(\mathrm{Re},\mathrm{Pr}) \quad\text{ou}\quad \mathrm{Nu} = g(\mathrm{Gr},\mathrm{Pr}),
onde \mathrm{Nu}=hL/k é o número de Nusselt, para obter h.

Resposta

A convecção térmica ocorre quando o calor troca entre uma superfície e um fluido em movimento adjacente. Primeiro forma-se uma camada limite térmica na qual o calor se conduz da superfície até a borda dessa película. Em seguida, o fluxo de massa do fluido (movido por forças de flutuabilidade na convecção natural ou por dispositivos externos na convecção forçada) advecta esse calor para longe da superfície. A quantificação prática é dada pela Lei de Newton do resfriamento
\dot Q = h\,A\,(T_s - T_\infty),
em que o coeficiente convectivo h é obtido a partir de correlações baseadas em números adimensionais como Reynolds, Prandtl e Grashof.

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