Defina
Coeficiente de transferência de calor por convecção.
Coeficiente de transferência de calor por convecção.
Passo 1
O enunciado pede: definir o “Coeficiente de transferência de calor por convecção”.
Informações dadas: apenas o pedido de definição. Não há dados numéricos nem figuras. Vou responder explicando o que é, como aparece nas fórmulas, de que depende, exemplos práticos e um cálculo simples para fixar.
Informações dadas: apenas o pedido de definição. Não há dados numéricos nem figuras. Vou responder explicando o que é, como aparece nas fórmulas, de que depende, exemplos práticos e um cálculo simples para fixar.
Passo 2
Definição física e fórmula básica (lei de Newton do resfriamento).
A convecção é o mecanismo de troca de calor entre uma superfície e um fluido em movimento relativo (ou em movimento natural). O coeficiente de transferência por convecção, denotado por ), é a constante de proporcionalidade que relaciona a diferença de temperatura entre a superfície e o fluido ao fluxo de calor convectivo. Em forma de lei de Newton do resfriamento:
A convecção é o mecanismo de troca de calor entre uma superfície e um fluido em movimento relativo (ou em movimento natural). O coeficiente de transferência por convecção, denotado por ), é a constante de proporcionalidade que relaciona a diferença de temperatura entre a superfície e o fluido ao fluxo de calor convectivo. Em forma de lei de Newton do resfriamento:
onde:
-
é a taxa de calor transferida (potência) em ; -
é o coeficiente de convecção em ; -
é a área da superfície em ; -
é a temperatura da superfície em ou ; -
é a temperatura do fluido “a jusante” (temperatura do fluido distante da superfície) em ou .
Também se usa a forma por fluxo de calor por unidade de área:
onde
é o fluxo de calor superficial em
.
Explicando em palavras:
mede “quão eficiente” a convecção é em converter uma diferença de temperatura em fluxo de calor. Quanto maior
, maior o fluxo de calor produzido pela mesma diferença de temperatura.
Passo 3
Interpretação como resistência térmica convectiva e unidades.
O coeficiente pode ser visto como o inverso de uma resistência convectiva local por área:
O coeficiente
Unidade de
:
. Isso significa que, para cada metro quadrado e cada kelvin de diferença, a troca de calor é
watts.
Passo 4
Local versus médio.
Em muitos problemas varia ao longo da superfície. Define-se o coeficiente local
e o coeficiente médio
:
Em muitos problemas
onde
. Em provas, preste atenção se pedem
local ou
.
Passo 5
Do que
depende (fatores físicos) — uma mini-aula prática.
O valor de não é uma propriedade do material da superfície, é uma propriedade do problema convecção superfície–fluido. Depende de:
O valor de
- propriedades do fluido: condutividade térmica
, densidade , viscosidade dinâmica , calor específico ; - velocidade do fluido
e regime de escoamento (laminar ou turbulento); - diferença de temperatura (no escoamento natural aparece a força de flutuabilidade);
- geometria e dimensão característica
da superfície; - rugosidade superficial e condições de contorno.
Usa-se números adimensionais para correlacionar
. Os principais são:
As correlações empíricas frequentemente têm a forma
para convecção forçada, ou
para convecção natural, onde
é o número de Grashof. Exemplo clássico (escoamento laminar sobre placa plana, camada limite térmica desenvolvida):
Nessas fórmulas, todos os símbolos foram explicados acima:
ou
são comprimentos característicos,
é condutividade térmica do fluido.
Passo 6
Exemplo numérico simples (para você aplicar na prova sem calculadora).
Suponha uma placa com , coeficiente
e diferença de temperatura
. Então:
Suponha uma placa com
Interpretação: essa placa perderia (ou ganharia)
por convecção nas condições dadas.
Passo 7
Faixa típica de valores e dicas práticas.
Valores típicos de (apenas referência rápida; sempre use correlações quando possível):
Valores típicos de
- ar, convecção natural:
a ; - ar, convecção forçada (vento ou ventilador):
a ; - líquidos (água, óleos) geralmente têm
muito maiores, tipicamente a vários milhares dependendo do caso.
Dica de prova: identifique qual tipo de convecção (forçada ou natural), escolha o comprimento característico, calcule
e
e use a correlação apropriada para obter
e daí
. Se o exercício pedir só uma definição, a forma com a lei de Newton mais a interpretação física e unidades bastam.
Resposta
O coeficiente de transferência de calor por convecção
é a constante de proporcionalidade que relaciona a diferença de temperatura entre uma superfície e o fluido adjacente ao fluxo de calor convectivo, aparecendo na lei de Newton do resfriamento
, e tem unidade
.