Convecção vs Condução
Convecção vs Condução
Na condução térmica , a energia é transferida como calor , devido à migração de elétrons livres ou ondas vibracionais em treliça ( fônons ). Não há movimento de massa na direção do fluxo de energia. A transferência de calor por condução depende da “força” motriz da diferença de temperatura.
Em geral, a convecção é a transferência de massa ou a transferência de calor devido ao movimento em massa de moléculas dentro de fluidos, como gases e líquidos.
A condução e a convecção são semelhantes, pois ambos os mecanismos requerem a presença de um meio material (em comparação com a radiação térmica). Por outro lado, eles são diferentes, pois a convecção requer a presença de movimento fluido.
Deve-se enfatizar que , na superfície, o fluxo de energia ocorre puramente por condução, mesmo em condução. Isso ocorre porque sempre há uma fina camada de filme estagnado na superfície da transferência de calor. Porém, nas próximas camadas, ocorrem movimentos de condução e difusão-massa no nível molecular ou no nível macroscópico. Devido ao movimento de massa, a taxa de transferência de energia é maior. Quanto maior a taxa de movimento de massa, mais fina será a camada de filme fluido estagnado e maior será a taxa de fluxo de calor.
Deve-se notar que a ebulição nucleada na superfície interrompe efetivamente essa camada estagnada e, portanto, a ebulição nucleada aumenta significativamente a capacidade de uma superfície de transferir energia térmica para o fluido a granel.
Como foi escrito, a transferência de calor através de um fluido é por convecção na presença de movimento de massa e por condução na ausência dele. Portanto, a condução térmica em um fluido pode ser vista como o caso limitador de convecção, correspondendo ao caso de fluido inativo.
Convecção como Condução com Movimento Fluido
Alguns especialistas não consideram a convecção um mecanismo fundamental de transferência de calor, uma vez que é essencialmente a condução de calor na presença de movimento de fluidos. Eles consideram que este é um caso especial de condução térmica , conhecido como ” condução com movimento de fluido “. Por outro lado, é prático reconhecer a convecção como um mecanismo separado de transferência de calor, apesar dos argumentos válidos em contrário.
O que é condução
A condução térmica , também chamada de condução térmica , ocorre dentro de um corpo ou entre dois corpos em contato sem o envolvimento do fluxo de massa e da mistura. É a troca microscópica direta da energia cinética das partículas através da fronteira entre dois sistemas. A transferência de calor por condução depende da “força” motriz da diferença de temperatura e da condutividade térmica (ou da resistência à transferência de calor). A condutividade térmica depende da natureza e das dimensões do meio de transferência de calor. Todos os problemas de transferência de calor envolvem a diferença de temperatura , a geometriae as propriedades físicas do objeto que está sendo estudado. Em problemas de transferência de calor por condução, o objeto em estudo geralmente é sólido.
Microscopicamente, esse modo de transferência de energia é atribuído ao fluxo livre de elétrons dos níveis de energia mais alto para o mais baixo, vibração da rede e colisão molecular . Considere um bloco de pedra em alta temperatura, que consiste em átomos que oscilam intensamente em torno de suas posições médias. A baixas temperaturas , os átomos continuam a oscilar, mas com menos intensidade . Se um bloco de pedra mais quente é colocado em contato com um bloco mais frio, os átomos intensamente oscilantes na borda do bloco mais quente emitem sua energia cinética para os átomos menos oscilantes na borda do bloco frio. Nesse caso, há transferência de energia entre esses dois blocos e o calor flui do bloco mais quente para o mais frio por essas vibrações aleatórias. A visão moderna é atribuir a transferência de energia a ondas reticuladas induzidas pelo movimento atômico. Nos isoladores elétricos, a transferência de energia é exclusivamente através dessas ondas de treliça. Em um condutor, isso também se deve ao movimento de translação dos elétrons livres.
Lei de Fourier de condução térmica
Os processos de transferência de calor podem ser quantificados em termos de equações de taxa apropriadas. A equação da taxa neste modo de transferência de calor é baseada na lei de condução térmica de Fourier . Esta lei estabelece que a taxa de tempo de transferência de calor através de um material é proporcional ao gradiente negativo na temperatura e à área, perpendicularmente àquele gradiente, através do qual o calor flui. Sua forma diferencial é:
O que é convecção
Em geral, a convecção é a transferência de massa ou a transferência de calor devido ao movimento em massa de moléculas dentro de fluidos, como gases e líquidos. Embora líquidos e gases geralmente não sejam bons condutores de calor, eles podem transferir calor rapidamente por convecção .
A convecção ocorre através de advecção , difusão ou ambos. A convecção não pode ocorrer na maioria dos sólidos, porque nem a difusão significativa da matéria nem os fluxos de corrente a granel podem ocorrer. A difusão do calor ocorre em sólidos rígidos, mas isso é chamado de condução térmica .
O processo de transferência de calor entre uma superfície e um fluido que flui em contato com ela é chamado de transferência de calor por convecção . Na engenharia, a transferência de calor por convecção é um dos principais mecanismos de transferência de calor . Quando o calor é transferido de um fluido para outro através de uma barreira, a convecção é envolvida em ambos os lados da barreira. Na maioria dos casos, a principal resistência ao fluxo de calor é por convecção. A transferência de calor por convecção ocorre tanto por difusão térmica (o movimento aleatório das moléculas de fluido) quanto por advecção, na qual a matéria ou o calor é transportado pelo movimento em larga escala das correntes no fluido.
A transferência de calor por convecção é mais difícil de analisar do que a transferência de calor por condução, porque nenhuma propriedade única do meio de transferência de calor, como a condutividade térmica , pode ser definida para descrever o mecanismo. A transferência de calor por convecção é complicada pelo fato de envolver movimento de fluidos e condução de calor . A transferência de calor por convecção varia de situação para situação (de acordo com as condições de fluxo do fluido), e é freqüentemente acoplada ao modo de fluxo do fluido . Na convecção forçada, a taxa de transferência de calor através de um fluido é muito maior por convecção do que por condução.
Lei de Newton de resfriamento
Apesar da complexidade da convecção , a taxa de transferência de calor por convecção é observada proporcional à diferença de temperatura e é convenientemente expressa pela lei do resfriamento de Newton , que afirma que:
A taxa de perda de calor de um corpo é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e seus arredores, desde que a diferença de temperatura seja pequena e a natureza da superfície radiante permaneça a mesma.
Observe que ΔT é dado pela temperatura da superfície ou da parede , parede T e temperatura do volume , T ∞ , que é a temperatura do fluido suficientemente longe da superfície.
Exemplo – Convecção x Condução
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