Convecção Natural – Convecção Livre
Definição de Convecção Natural
A convecção natural , também conhecida como convecção livre, é um mecanismo ou tipo de transporte de massa e calor , no qual o movimento do fluido é gerado apenas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura, não por qualquer fonte externa (como uma bomba, ventilador, dispositivo de sucção, etc.).
Na convecção natural , o fluido em torno de uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. Em outras palavras, os componentes mais pesados (mais densos) cairão, enquanto os componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento de fluidos a granel. A convecção natural pode ocorrer apenas em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada , como:
- aceleração
- força centrífuga
- força de Coriolis
A convecção natural essencialmente não opera na órbita da Terra. Por exemplo, na Estação Espacial Internacional em órbita, são necessários outros mecanismos de transferência de calor para impedir o superaquecimento dos componentes eletrônicos.
Criação de correntes de convecção
A criação de correntes de convecção é baseada em três suposições físicas:
- Presença de fonte de calor . A fonte de calor é necessária, porque as correntes de convecção são geradas por diferenças de densidade no fluido que ocorre devido a gradientes de temperatura. Na convecção natural, o fluido ao redor de uma fonte de calor recebe calor e, por expansão térmica, torna-se menos denso e sobe. A expansão térmica do fluido desempenha um papel crucial. Em outras palavras, componentes mais pesados (mais densos) cairão, enquanto componentes mais leves (menos densos) subirão, levando ao movimento de fluidos a granel.
- Presença de aceleração adequada. A convecção natural só pode ocorrer em um campo gravitacional ou na presença de outra aceleração adequada, como aceleração, força centrífuga e força de Coriolis. A convecção natural essencialmente não opera na órbita da Terra. Por exemplo, na Estação Espacial Internacional em órbita, são necessários outros mecanismos de transferência de calor para impedir o superaquecimento dos componentes eletrônicos.
- Geometria adequada . A presença e magnitude da convecção natural também dependem da geometria do problema. A presença de um gradiente de densidade de fluido em um campo gravitacional não garante a existência de correntes de convecção naturais. Esse problema é ilustrado na figura a seguir, onde um fluido é fechado por duas grandes placas horizontais de temperatura diferente (T superior ≠ T inferior ).
- No caso A, a temperatura da placa inferior é superior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade diminui na direção da força gravitacional. Essa geometria induz a circulação de fluidos e a transferência de calor ocorre por circulação natural . O fluido mais pesado descerá, sendo aquecido no processo, enquanto o fluido mais leve subirá, esfriando à medida que se move.
- No caso B, a temperatura da placa inferior é inferior à temperatura da placa superior. Nesse caso, a densidade aumenta na direção da força gravitacional. Essa geometria leva a condições estáveis, gradiente de temperatura estável e não induz a circulação de fluidos. A transferência de calor ocorre apenas por condução térmica.
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