Defina
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.

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 \(h), 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:
\dot{Q}=h\,A\,(T_s-T_\infty)
onde:
  • \dot{Q} é a taxa de calor transferida (potência) em \mathrm{W};
  • h é o coeficiente de convecção em \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-1}};
  • A é a área da superfície em \mathrm{m^2};
  • T_s é a temperatura da superfície em \mathrm{K} ou ^\circ\mathrm{C};
  • T_\infty é a temperatura do fluido “a jusante” (temperatura do fluido distante da superfície) em \mathrm{K} ou ^\circ\mathrm{C}.
Também se usa a forma por fluxo de calor por unidade de área:
\dot{q}'' = h\,(T_s-T_\infty)
onde \dot{q}''=\dot{Q}/A é o fluxo de calor superficial em \mathrm{W\,m^{-2}}.
Explicando em palavras: h mede “quão eficiente” a convecção é em converter uma diferença de temperatura em fluxo de calor. Quanto maior h, maior o fluxo de calor produzido pela mesma diferença de temperatura.

Passo 3

Interpretação como resistência térmica convectiva e unidades.
O coeficiente h pode ser visto como o inverso de uma resistência convectiva local por área:
R_{\text{conv}}=\frac{1}{hA}\quad\text{(resistência térmica entre superfície e fluido)}êéí
Unidade de h: \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-1}}. Isso significa que, para cada metro quadrado e cada kelvin de diferença, a troca de calor é h watts.

Passo 4

Local versus médio.
Em muitos problemas h varia ao longo da superfície. Define-se o coeficiente local h(x) e o coeficiente médio \bar{h}:
\dot{q}''(x)=h(x)\,(T_s-T_\infty)
\bar{h}=\frac{\dot{Q}}{A\,(T_s-T_\infty)}
onde \dot{Q}=\int_A \dot{q}''(x)\,dA. Em provas, preste atenção se pedem h local ou \bar{h}.

Passo 5

Do que h depende (fatores físicos) — uma mini-aula prática.
O valor de h não é uma propriedade do material da superfície, é uma propriedade do problema convecção superfície–fluido. Depende de:
  • propriedades do fluido: condutividade térmica k, densidade \rho, viscosidade dinâmica \mu, calor específico c_p;
  • velocidade do fluido V e regime de escoamento (laminar ou turbulento);
  • diferença de temperatura (no escoamento natural aparece a força de flutuabilidade);
  • geometria e dimensão característica L da superfície;
  • rugosidade superficial e condições de contorno.
Usa-se números adimensionais para correlacionar h. Os principais são:
\mathrm{Re}=\frac{\rho V L}{\mu}\quad\text{(número de Reynolds — regime do escoamento)}ú
\mathrm{Pr}=\frac{c_p\mu}{k}\quad\text{(número de Prandtl — razão entre difusão viscosa e térmica)}úããé
\mathrm{Nu}=\frac{hL}{k}\quad\text{(número de Nusselt — transporte convectivo relativo à condução)}úàçã
As correlações empíricas frequentemente têm a forma
\mathrm{Nu}=C\,\mathrm{Re}^m\,\mathrm{Pr}^n
para convecção forçada, ou
\mathrm{Nu}=C\;(\mathrm{Gr}\,\mathrm{Pr})^n
para convecção natural, onde \mathrm{Gr} é o número de Grashof. Exemplo clássico (escoamento laminar sobre placa plana, camada limite térmica desenvolvida):
\mathrm{Nu}_x=0{,}332\;\mathrm{Re}_x^{1/2}\;\mathrm{Pr}^{1/3}.
Nessas fórmulas, todos os símbolos foram explicados acima: L ou x são comprimentos característicos, k é condutividade térmica do fluido.

Passo 6

Exemplo numérico simples (para você aplicar na prova sem calculadora).
Suponha uma placa com A=0{,}5\\ \mathrm{m^2}, coeficiente h=10\\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-1}} e diferença de temperatura (T_s-T_\infty)=20\\ \mathrm{K}. Então:
\dot{Q}=h\,A\,(T_s-T_\infty)=10\cdot 0{,}5\cdot 20=100\\ \mathrm{W}.
Interpretação: essa placa perderia (ou ganharia) 100\\ \mathrm{W} por convecção nas condições dadas.

Passo 7

Faixa típica de valores e dicas práticas.
Valores típicos de h (apenas referência rápida; sempre use correlações quando possível):
  • ar, convecção natural: \sim 2 a \sim 25\\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-1}};
  • ar, convecção forçada (vento ou ventilador): \sim 10 a \sim 200\\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-1}};
  • líquidos (água, óleos) geralmente têm h muito maiores, tipicamente \sim 50 a vários milhares \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-1}} dependendo do caso.
Dica de prova: identifique qual tipo de convecção (forçada ou natural), escolha o comprimento característico, calcule \mathrm{Re} e \mathrm{Pr} e use a correlação apropriada para obter \mathrm{Nu} e daí h=\mathrm{Nu}\,k/L. 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 h 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 \dot{Q}=hA(T_s-T_\infty), e tem unidade \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-1}}.

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