Alguns fatos do cotidiano... Em que situação você sente mais frio: Situação 1: ( ) ao mergulhar em uma piscina a 20 o C, usando maiô. ( ) ao usar maiô em um dia a 20 o C. Situação 2: ( ) em um dia úmido a 15 o C. ( ) em um dia seco a 15 o C. Situação 3: ( ) em um dia a 15 o C sem vento. ( ) em um dia a 15 o C com vento. Por quê para se provocar um resfriamento mais rápido de uma sopa quente, ou sopramos no prato ou mexemos na sopa com a colher? Que diferenças existem entre as situações descritas acima e as situações em que ocorria a transferência de calor por condução? Experiência 3: troca térmica entre água e sólido quente A água contida no béquer é pura? Como a água é aquecida no experimento conduzido em aula? O que pôde ser observado? 55
(figura extraída de Ciência Ilustrada da Abril Cultural, v. 3, p. 778, 1973, material cedido por Julio César Justo, aluno da turma 5C de FTII de 2003) Existe alguma semelhança entre os fenômenos observados em aula e o quê se vê sobre o asfalto em dias quentes? 56
Observe agora o gelo em água: Experiência 4: voltando ao estudo da vela, de que forma energia é transferida da colher para o ar? Refletindo sobre os seus conceitos prévios: Ocorre transferência de calor da colher para o ar? De quê forma? Relato das observações e discussão em aula foco: interface colher/ar: (em casa, complete as suas anotações, tendo em vista os questionamentos apresentados no apêndice D). Mote: explicar a transferência de calor na interface sólido/fluido ou fluido/fluido. 57
(espaço para suas anotações) 58
Para a sua reflexão - sintetizando as informações sobre a convecção: Uma definição de convecção segundo Incropera & De Witt, p. 3/4 (4/5 a edição): O modo de transferência de calor por convecção abrange dois mecanismos. Além de transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do movimento global ou macroscópico do fluido. (...) Uma vez que as moléculas nos agregados moleculares mantêm seus movimentos aleatórios a transferência total de calor é então composta pela superposição do transporte de energia devido ao movimento aleatório das moléculas com o transporte devido ao movimento global do fluido. É comum usar o termo convecção para se referir a este transporte cumulativo, e o termo advecção para se referir ao transporte devido exclusivamente ao movimento global do fluido. Uma definição de convecção segundo Kreith, p. 14 (2003): O modo de transferência de calor por convecção, na realidade, consiste de dois mecanismos operando simultaneamente. O primeiro é a transferência de energia atribuída ao movimento molecular, ou seja, o modo condutivo. Sobreposta a ele está a transferência de energia através do movimento macroscópico de parcelas do fluido. O movimento de fluido resulta do movimento de suas parcelas, cada qual constituindo de um grande número de moléculas, que se movem em razão de uma força externa. Essa força pode ser provocada por um gradiente de densidade, como na convecção natural, ou por uma diferença de pressão gerada por uma bomba ou ventoinha, ou possivelmente uma combinação dos dois. Uma definição de convecção segundo Brodkey & Hershey, p. 493 (2001): Convection is defined as the bulk flow of a fluid induced by unequal molar mass transfer or by the external influence of a pressure difference or a force field such as gravity. dois meios distintos, sendo um fluido características principais: (sólido-fluido, fluido-fluido). Envolve movimentação (por convecção natural forças de empuxo movimento induzido por macroscópica diferença nos valores de densidade ou por convecção forçada forças que induzem velocidade no fluido diferença de pressão, máquinas, etc., com ou sem mudança de fase) de porção fluida (advecção) transporte de energia interna associada à partícula em movimento, associada com o efeito da condução (difusão) na camada limite térmica, ou seja, é fenômeno de interface. Em conclusão, convecção = advecção + condução. Observação importante: na prática da engenharia, confunde-se o termo advecção com convecção, i.e. convecção também é sinônimo de advecção, mas advecção não incorpora a condução. Recomendamos usar o termo convecção como sendo a combinação de advecção e condução para maior clareza. Condução e difusão são considerados sinônimos, é mais comum se falar de condução térmica e difusão 59
mássica, embora em balanços de energia microscópicos o termo difusão térmica é muito comum. Um último comentário sobre os processos condutivos e convectivos o olhar de Cremasco, M.A. em Fundamentos de transferência de massa. (1998, p.25): Observação: no texto extraído a seguir corrigimos o uso do autor do termo convecção por advecção. É prática corriqueira da engenharia não distinguir as palavras convecção e advecção. O autor identifica no exemplo duas espécies químicas, a saber o mar e o surfista, o último identificado como soluto e o primeiro como meio. Mar calmo, um surfista e sua prancha. Para deslocar-se de um certo lugar a outro, o surfista faz das mãos remos e assim, ao locomover-se, entra em contato íntimo com o mar. Identificando: soluto=surfista meio=mar contribuição difusiva movimento=maos! Aparece uma onda de bom tamanho e carrega o surfista. soluto=surfista Identificando: meio=mar contribuição advectiva movimento=onda soluto=surfista Identificando: meio=mar movimento=maos+mar! contribuição difusiva + contribuição advectiva Observe nas situações que o contato íntimo está associado à interação (surfista/mar) ou (soluto/meio). Neste caso, tem-se a contribuição difusiva. Já na situação em que o surfista se deixa carregar pelo mar, existe a ação do mar em levar a prancha de um lugar para outro, acarretando a contribuição convectiva. Pode haver uma terceira situação na qual as duas citadas há pouco ocorrem simultaneamente. equação empírica: Lei de resfriamento de Newton (século XVII) ( ) q" = h T T 1 2 sendo que h (é uma propriedade de transporte) é conhecido como coeficiente de película ou coeficiente de transferência de calor por convecção ou coeficiente de transmissão de calor por convecção ou coeficiente de convecção,... 60
Interpretando a camada limite térmica e estabelecendo a sua relação com a camada limite hidrodinâmica: próximo à superfície predomina o mecanismo de movimentação aleatória das moléculas (difusão). Lembre-se do curso de FT-I do princípio de aderência (também chamado de princípio do não deslizamento ou do não escorregamento), o qual corresponde a um modelo de representação do que pode ocorrer com um fluido em contato com uma superfície. Segundo este princípio o fluido terá a mesma velocidade da superfície em que está em contato. Assim, no caso de um fluido em contato com uma superfície parada, o fluido terá velocidade nula. Assim, em termos de troca térmica, espera-se que próximo a superfícies paradas prevaleça o efeito de condução sobre o de advecção. Esta conjectura serve de princípio para a determinação experimental do coeficiente de película. De fato, nas palavras de W. Braga (p.7) as regiões onde efeitos viscosos ou de difusão são importantes são chamadas de camadas limites hidrodinâmicas (difusão de quantidade de movimento) ou térmicas (difusão térmica). No caso da transferência de massa (um espécie química se difundindo em outra, pense e.g. no que ocorre quando se pinga algumas gotas de corante em água ou simplesmente a passagem de uma espécie química de um meio para outro. Os mecanismos de transferência de massa são também os mesmos condução e convecção), também existe uma camada limite, chamada de camada limite de concentração. crescimento da camada limite cresce efeito de movimentação global do fluido. O calor que é conduzido para o interior desta camada é arrastado na direção do escoamento, sendo eventualmente transferido para o fluido que se encontra no exterior da camada limite. (Incropera & De Witt). A convecção é mais efetiva em processos com mudança de fase levando ao predomínio do efeito de advecção) (mais massa por unidade de, seguida da convecção em líquidos volume em relação a gases de modo que os efeitos de condução e advecção são bastante pronunciados) e é menos efetiva em gases. A convecção forçada é mais efetiva que a natural (predomínio do efeito de advecção). O regime de escoamento turbulento leva a uma convecção mais acentuada. O mecanismo de troca térmica por convecção em sistemas com mudança de fase não é trivial. O capítulo 10 de Incropera & De Witt ou de Kreith tratam da troca térmica com mudança de fase. Observe as fotografias dos processos em mudança de fase! (agitação bastante intensa 61