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
difere da temperatura do fluido em grande distância
, forma-se uma camada limite térmica sobre a superfície. Nessa película:
- O calor flui por condução de
até a borda da camada limite. - A partir daí, o fluido em movimento transporta (advecta) esse calor para o restante do domínio.
Passo 4
Existem duas modalidades principais:
- Convecção natural (ou livre): o movimento do fluido é gerado por forças de flutuabilidade resultantes de variações de densidade causadas por diferenças de temperatura.
- 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:
onde
é a potência térmica transferida,
é a área de troca,
é o coeficiente de transferência de calor por convecção (W/
·K),
é a temperatura da superfície e
é a temperatura do fluido distante.
Passo 6
O coeficiente
depende das propriedades do fluido
,
,
,
e do regime de escoamento, normalmente correlacionado por números adimensionais como:
e então usa-se correlações empíricas do tipo
onde
é o número de Nusselt, para obter
.
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
em que o coeficiente convectivo
é obtido a partir de correlações baseadas em números adimensionais como Reynolds, Prandtl e Grashof.