Mecanismo de Convecção
Mecanismo de Convecção
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. 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.
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.
Na prática, a análise da transferência de calor por convecção é tratada empiricamente (por observação experimental direta). A maioria dos problemas pode ser resolvida usando os chamados números de característica (por exemplo, número de Nusselt ). Números de característica são números sem dimensão usados para descrever um caractere de transferência de calor e podem ser usados para comparar uma situação real (por exemplo, transferência de calor em um tubo) com um modelo de pequena escala . A experiência mostra que a transferência de calor por convecção depende fortemente das propriedades do fluido viscosidade dinâmica , condutividade térmica , densidade e calor específico , bem como davelocidade do fluido . Também depende da geometria e da rugosidade da superfície sólida, além do tipo de fluxo de fluido. Todas essas condições afetam especialmente a espessura do filme estagnado .
A convecção envolve a transferência de calor entre uma superfície a uma determinada temperatura ( parede T ) e fluido a uma temperatura a granel (T b ). A definição exata da temperatura do volume (T b ) varia dependendo dos detalhes da situação.
- Para o fluxo adjacente a uma superfície quente ou fria, Tb é a temperatura do fluido “distante” da superfície.
- Para ebulição ou condensação, Tb é a temperatura de saturação do fluido.
- Para o fluxo em um tubo, T b é a temperatura média medida em uma seção transversal específica do tubo.
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