Convecção: o que é e como funciona?

Calor, no nível mais básico, é a energia cinética de átomos e moléculas. A convecção afeta tudo, desde o aquecimento de sua casa até o processo de transferência de calor dentro do sol.

Conforme um sólido, líquido ou gás é aquecido, os átomos ou moléculas que o compõem vibram mais e mais; essas vibrações aumentadas requerem mais volume para cada átomo / molécula.

Em um gás, isso é expresso não como uma "vibração", mas como um aumento da velocidade das partículas e, portanto, um aumento da pressão no recipiente do gás. Por este motivo, a maioria dos materiais expandir à medida que são aquecidos. Isso acontece principalmente em gases, mas em menor grau também em líquidos e sólidos.

Quando algo se expande, torna-se menos denso; há menos partículas e, portanto, menos massa por unidade de volume do que antes. Mas em líquidos e gases (fluidos), uma região de densidade mais baixa irá subir e flutuar acima das regiões de densidade mais alta devido à influência da gravidade. Esses dois conceitos, que o calor causa uma diminuição na densidade e que os fluidos sobem e descem de acordo com a densidade, se combinam para criar o

A convecção é um método de transferência de energia térmica em que a transferência de calor ocorre por meio do movimento do fluido. Esse movimento do fluido é causado pela diferença de densidade entre as regiões mais quentes do fluido e as regiões mais frias. Esses movimentos são chamados correntes de convecção, e o movimento convectivo do fluido continua enquanto houver diferença de temperatura entre as regiões.

Essa diferença de temperatura é especialmente gritante quando há uma fonte de calor em um lado do fluido, como um aquecedor próximo ao chão de uma sala. O ar quente na parte inferior move-se continuamente para cima, enquanto o ar mais frio desce para ser aquecido e, subsequentemente, também sobe. O movimento do ar causa correntes circulares que continuarão a menos que o ar alcance uma temperatura de equilíbrio; um copo de água em temperatura ambiente geralmente não terá correntes convectivas, enquanto um copo de água com gelo terá correntes convectivas.

A convecção é freqüentemente descrita como uma combinação de dois processos físicos: advecção e difusão. Advection é o transporte de matéria pelo movimento em massa, como o movimento do lodo do leito do rio pelo fluxo do rio. Difusão é o transporte de matéria pelo movimento das partículas de uma área de alta concentração para uma área de baixa concentração, como o movimento de partículas de tinta que se espalham por um copo d'água.

À medida que a convecção move a matéria mais quente para cima e a matéria mais fria para baixo, ela move a matéria em massa (advecção) e em partículas (difusão).

A convecção não pode, por definição, ocorrer em sólidos por causa da incapacidade de criar fluxo de fluido na matéria sólida (as partículas não podem se mover em relação umas às outras, mas podem apenas vibrar no lugar). A transferência de calor em sólidos ocorre por condução, ou a transferência de energia vibracional de um átomo ou molécula em um cristal sólido para seus vizinhos. Existem algumas exceções a isso em sólidos macios, onde as partículas podem passar umas pelas outras.

Manter a convecção em mente pode ajudá-lo a aquecer ou resfriar sua casa com mais eficiência. Como o ar quente tende a subir e o ar frio a afundar, é útil colocar os aquecedores mais perto do chão e os condicionadores de ar mais acima.

Ventiladores de teto geralmente pode operar em ambas as direções: soprando ar de cima para baixo ou soprando ar de baixo para cima. Em geral, soprar ar é útil no verão, para que você sinta a brisa de convecção esfriando sua pele; puxar o ar para cima é útil no inverno porque ajuda a empurrar o ar quente de cima para baixo e para fora em direção às paredes, sem soprar diretamente em você.

Conforme a água esfria, ela se contrai e se torna mais densa como a maioria das outras substâncias. No entanto, quando esfria para cerca de 4 graus Celsius, na verdade começa a se expandir ligeiramente. A água é bastante singular porque sua forma sólida, o gelo, é menos densa que sua forma líquida. Portanto, embora geralmente se torne mais denso à medida que esfria, em certo ponto essa tendência se inverte e começa a se expandir até seu ponto de congelamento em 0 graus Celsius. Isso afeta o funcionamento da convecção em um lago gelado.

À medida que a água em um lago esfria, ela afunda à medida que a água mais quente sobe, mas apenas até que todo o lago esteja 4 graus Celsius. Neste ponto, a convecção se inverte: a água que é mais fria do que 4 graus Celsius é menos densa do que a água mais quente, o que significa que a parte superior do lago se torna mais fria do que o fundo e o gelo formulários. É por isso que os lagos congelam primeiro.

O Sol (assim como a maioria das estrelas) sofre convecção interna com plasma mais quente e plasma mais frio. Dentro da zona de convecção do Sol, que se estende para dentro a partir de sua superfície externa, a energia térmica é transportada do interior solar quente para as regiões externas mais frias por meio de correntes de convecção.

Isso cria "células de convecção, "que são as manchas escuras e claras que você pode ver na superfície do Sol. Os pontos de luz são células de convecção de plasma quente que acaba de surgir do interior; as manchas escuras são de células de convecção de plasma que esfriaram e logo cairão pela zona de convecção.

Esses pontos escuros e claros também são chamados de grânulos solares. Eles têm em média cerca de 1.000 km de diâmetro (aproximadamente o comprimento do estado da Califórnia) e permanecem na superfície por apenas cerca de oito a 20 minutos. A qualquer momento, a superfície do Sol contém cerca de quatro milhões de grânulos!

A convecção é extremamente importante na meteorologia ou no estudo do tempo. O fluxo de ar quente e frio na atmosfera é o que cria diferentes formas de nuvens, bem como tempestades, tornados e frentes meteorológicas.

Algum fornos são capazes de assar por convecção. Os fornos de convecção usam ventiladores e um sistema de exaustão que circulam o ar dentro do forno enquanto ele assa, soprando ar quente diretamente sobre os alimentos. Isso permite que a comida cozinhe mais rápida e uniformemente do que se fosse simplesmente colocada perto dos elementos de aquecimento do forno. Também torna o interior do forno mais seco e menos úmido, o que pode ser melhor para dourar os alimentos.

O campo magnético da Terra é causado por correntes de convecção em seu núcleo externo. No centro da Terra está um núcleo interno sólido, rodeado por um núcleo externo líquido que é composto principalmente de ferro e níquel. Ambos os metais são bons condutores de eletricidade. As correntes de convecção nesta camada de líquido criam correntes elétricas dentro do metal líquido, que criam campos magnéticos; a soma desses campos magnéticos é o campo magnético da Terra, que aponta todas as bússolas para o Pólo Norte e protege a Terra da radiação cósmica.