CONVERCÇÃO TÉRMICA

Convecção térmica

Antes de iniciar seus estudos, reflita sobre as questões abaixo, forme suas opiniões e confronte-as com a teoria apresentada em seguida. Suas ideias e sugestões são muito importantes para enriquecer nosso ensino e o seu aprendizado. Por que o ar-condicionado deve ser instalado no teto? Por que a temperatura média do Hemisfério Sul da Terra é mais alta que a do Norte? Qual é o sentido das brisas litorâneas durante o dia? Qual é o papel da gravidade na movimentação das correntes marítimas?

 1. A Física e o cotidiano

Convecção

Suponha uma sala em que se ligue um aquecedor elétrico em sua parte inferior.

O ar em torno do aquecedor aquece-se, tornando-se menos denso que o restante. Com isso, ele sobe e o ar frio desce, havendo uma troca de posição do ar quente, que sobe, com o ar frio, que desce. A este movimento de massas de fluido chamamos convecção e as correntes de ar formadas são correntes de convecção.

Dessa forma, podemos dizer que convecção são movimentos de massas fluidas (líquidos, gases e vapores) que trocam de posição. Notemos que a convecção não pode ocorrer no vácuo nem nos sólidos.

A convecção pode ser natural, quando é ocasionada por diferença de densidade (devido à diferença de temperatura) entre as massas de fluido, ou forçada, quando é ocasionada por bombas ou ventiladores.

O aparelho de ar-condicionado deve ser colocado na parte superior da parede da sala.

 

 

No inverno, o ar aquecido pelo aquecedor elétrico deve ser produzido na parte inferior da sala.

Geladeira doméstica

Nas geladeiras domésticas, o congelador está sempre colocado na parte superior para que, pela convecção do ar, produza o resfriamento dos alimentos. O ar “quente" que está próximo dos alimentos sobe, sendo resfriado pelo congelador e, agora, o ar “frio" desce para retirar energia térmica dos alimentos, resfriando-os. Para que a convecção do ar possa ocorrer, as prateleiras são grades vazadas. A dona de casa não deve cobrir essas prateleiras para não prejudicar a convecção do ar no interior da geladeira.

Nas geladeiras domésticas, os alimentos são resfriados pelo ar frio, que desce devido à convecção. As prateleiras são feitas como grades (e não inteiriças) para permitir a convecção de ar dentro da geladeira.

 

 

Nas geladeiras com prateleiras inteiriças de vidro ou acrílico, dutos de ar frio e ventoinhas forçam a convecção interna.

 

2. A Física e o mundo

Física e previsão do tempo

O estudo do clima e as consequentes previsões meteorológicas sempre foram um dos problemas mais complexos já encarados pelo ser humano. O movimento dos ventos e as correntes marítimas são fenômenos de extrema influência na caracterização do tempo. Tais movimentos são bastante complicados por receberem influências de diferentes origens: o movimento de rotação da Terra, a interação gravitacional da Terra com o Sol e com a Lua, o encontro das massas de ar e água com os continentes e também as diferenças de temperatura entre os diversos pontos do planeta.

O ar aquecido próximo do Equador acaba por se expandir (zonas de baixa pressão) rumo às regiões polares (zonas de alta pressão), o que influencia grandemente o movimento das massas atmosféricas ao redor do globo. Nesse movimento, o ar “arrasta" as camadas superficiais da água nos oceanos, contribuindo para a formação das correntes marítimas.

Principais correntes marítimas

Note na figura como as massas de água aquecidas fluem do Equador rumo aos polos, “empurrando" as massas frias em sentido oposto.

Brisas litorâneas

Durante o dia: O ar próximo da areia fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da água para a terra. É o vento que, durante o dia, sopra do mar para a terra.

Durante a noite: O ar próximo da superfície da água se resfria menos. Com isto ele fica mais quente que o restante e sobe, dando lugar a uma corrente de ar da terra para a água. É o vento que, durante a noite, sopra da terra para o mar.

3. A Física e o laboratório

Verificação experimental da convecção térmica

Jogue um pouquinho de pó de café em água fervente e perceba a movimentação das partículas nas correntes de convecção.

Essas correntes são produzidas pela diferença das densidades das massas fria e quente num campo gravitacional.

4. A Física e a evolução de seus conceitos

Convecção

O calor é transmitido pela subida de uma massa com temperatura mais elevada e a descida de outra massa, mais fria, por diferença de densidades entre elas.

Ocorre em:

• Formação de ventos, brisas, furacões e movimentação de massas quentes e frias da atmosfera.
• Subida da fumaça nas chaminés.
• Movimentação de massas líquidas sob aquecimento.
• Posicionamento de aparelhos de ar refrigerado na parte superior das paredes.
• Posicionamento de aquecedores no chão.

Meios fluidos (líquidos e gases) em campos gravitacionais.

Seria conveniente cobrir as prateleiras com toalhas plásticas? Não.

As trocas térmicas e o equilíbrio térmico depois de um tempo necessário, no interior da geladeira, ocorrem por convecção do ar.

Por que a convecção não ocorre num ambiente de gravidade nula?

Exercícios Propostos

1. (MODELO ENEM) – O posicionamento dos aquecedores e dos aparelhos de ar-condicionado deve favorecer a formação de correntes de convecção do ar da sala no inverno e no verão, respectivamente.

Assinale a alternativa correta.

a) O aparelho B é um aquecedor e facilita a subida do ar frio.

b) O aparelho A é um refrigerador de ar e facilita a descida do ar quente.

c) Na cabina de uma nave espacial em órbita da Terra, com gravidade aparente nula, cessam as correntes de convecção.

d) Se o aparelho B for um refrigerador e, A, um aquecedor, funcionando, simultaneamente, as correntes de convecção se anulam.

e) Se os aparelhos estão desligados, o ar menos denso fica mais próximo do chão.

2. (UEM-PR-MODELO ENEM) – As brisas e os alísios são exemplos de ventos. Os alísios sopram dos trópicos para o Equador e depois voltam aos trópicos (contra-alísios). As brisas sopram, durante o dia, do oceano para o continente (brisas marítimas) e, durante a noite, sopram do continente para o oceano (brisas continentais). Entre as alternativas a seguir, indique aquela que explica corretamente o fenômeno das brisas.

a) É um exemplo de convecção térmica e ocorre pelo fato de a água ter um calor específico sensível maior do que o da areia. Dessa forma, a temperatura da areia se altera mais rapidamente do que a da água.

b) É um exemplo de condução térmica e ocorre pelo fato de a areia e a água serem bons condutores térmicos. Dessa forma, o calor se dissipa rapidamente.

c) É um exemplo de irradiação térmica e ocorre pelo fato de a areia e a água serem bons condutores térmicos. Dessa forma, o calor se dissipa rapidamente.

d) É um exemplo de convecção térmica e ocorre pelo fato de a água ter um calor específico sensível menor do que a areia. Dessa forma, a temperatura da areia se altera mais rapidamente.

e) É um processo de estabelecimento do equilíbrio térmico e ocorre pelo fato de a água ter uma capacidade térmica desprezível.

3. Numa área de praia, a brisa marítima é uma consequência da diferença no tempo de aquecimento do solo e da água, apesar de ambos estarem submetidos às mesmas condições de irradiação solar. No local (solo) que se aquece mais rapidamente, o ar fica mais quente e sobe, deixando uma área de baixa pressão, provocando o deslocamento do ar da superfície que está mais fria (mar).

À noite, ocorre um processo inverso ao que se verifica durante o dia.

Como a água leva mais tempo para esquentar (de dia), mas também leva mais tempo para esfriar (à noite), o fenômeno noturno (brisa terrestre) pode ser explicado da seguinte maneira:

a) O ar que está sobre a água se aquece mais; ao subir, deixa uma área de baixa pressão, causando um deslocamento de ar do continente para o mar.

b) O ar mais quente desce e se desloca do continente para a água, a qual não conseguiu reter calor durante o dia.

c) O ar que está sobre o mar se esfria e dissolve-se na água; forma-se, assim, um centro de baixa pressão, que atrai o ar quente do continente.

d) O ar que está sobre a água se esfria, criando um centro de alta pressão que atrai massas de ar continental.

e) O ar sobre o solo, mais quente, é deslocado para o mar, equilibrando a baixa temperatura do ar que está sobre o mar.

4. (UEL-PR-MODELO ENEM) – O fenômeno da inversão térmica, quando ocorre em grandes cidades, agrava o problema da poluição atmosférica. Principalmente no inverno, quando ocorre a diminuição da incidência de radiação solar sobre a superfície, o ar adjacente ao solo pode não ser suficientemente aquecido, tornando-se mais frio que a camada imediatamente superior, provocando assim a inversão térmica. Com a ausência de movimentos verticais do ar, os poluentes ficam retidos na baixa atmosfera.

Sobre a inversão térmica, assinale a alternativa correta.

a) O ar frio livre de poluentes se eleva naturalmente na atmosfera, evitando a ocorrência do fenômeno da inversão térmica.

b) A mistura vertical de ar, durante a inversão térmica, ocorre por meio do movimento descendente do ar quente.

c) A dispersão dos poluentes na atmosfera ocorre durante a inversão térmica porque o ar quente é mais denso que o ar frio.

d) A inversão térmica ocorre porque, durante o inverno, a energia solar aquece apenas a alta atmosfera.

e) A inversão térmica ocorre em virtude da insuficiência de radiação solar na superfície terrestre de determinada região e consequente ausência de convecção térmica.

5. Usando a teoria de transmissão de calor que você aprendeu, analise as afirmativas dadas a seguir e classifique-as como verdadeiras ou falsas.

(1) Uma garrafa térmica, com café quente em seu interior, deve permanecer bem fechada para evitar trocas de calor com o meio externo, por convecção.

(2) Numa geladeira doméstica, as prateleiras devem ser grades vazadas para permitirem a condução do calor dos alimentos para o congelador.

(3) O congelador de uma geladeira doméstica fica sempre na parte superior para receber o ar aquecido que, por convecção, leva a energia térmica absorvida dos corpos.

6. 

Ziegler, M.F. Energia Sustentável. Revista IstoÉ. 28 abr. 2010.

A fonte de energia representada na figura, considerada uma das mais limpas e sustentáveis do mundo, é extraída do calor gerado

a) pela circulação do magma no subsolo.

b) pelas erupções constantes dos vulcões.

c) pelo sol que aquece as águas com radiação ultravioleta.

d) pela queima do carvão e combustíveis fósseis.

e) pelos detritos e cinzas vulcânicas.

7.  Suponha que você seja um consultor e foi contratado para assessorar a implantação de uma matriz energética em um pequeno país com as seguintes características: região plana, chuvosa e com ventos constantes, dispondo de poucos recursos hídricos e sem reservatórios de combustíveis fósseis.

De acordo com as características desse país, a matriz energética de menor impacto e risco ambientais é a baseada na energia

a) dos biocombustíveis, pois tem menos impacto ambiental e maior disponibilidade.

b) solar, pelo seu baixo custo e pelas características do país favoráveis à sua implantação.

c) nuclear, por ter menos risco ambiental a ser adequadeada a locais com menor extensão territorial,

d) hidráulica, devido ao relevo, à extensão territorial do país e aos recursos naturais disponíveis.

e) eólica, pelas características do país e por não gerar gases do efeito estufa nem resíduos de operação.

8.  Para a instalação de um aparelho de ar-condicionado, é sugerido que ele seja colocado na parte superior da parede do cômodo, pois a maioria dos fluidos (líquidos e gases), quando aquecidos, sofrem expansão, tendo sua densidade diminuída e sofrendo um deslocamento ascendente. Por sua vez, quando são resfriados, tornam-se mais densos e sofrem um deslocamento descendente.

A sugestão apresentada no texto minimiza o consumo de energia, porque

a) diminui a umidade do ar dentro do cômodo.

b) aumenta a taxa de condução térmica para fora do cômodo.

c) torna mais fácil o escoamento da água para fora do cômodo.

d) facilita a circulação das correntes de ar frio e quente dentro do cômodo.

e) diminui a taxa de emissão de calor por parte do aparelho para dentro do cômodo.

Gabarito

1. RESOLUÇÃO:

As correntes de convecção dependem da força gravitacional que atua sobre as massas de ar com densidades diferentes.

Resposta: C

2. RESOLUÇÃO:

A formação de brisas litorâneas ocorre devido à convecção térmica. A areia tem calor específico sensível menor do que a água. Assim, ela se aquece e se resfria mais rapidamente do que a água. Na convecção do ar, formam-se diferenças de pressão que provocarão deslocamento de ar da água para a praia (durante o dia) e da praia para a água (durante a noite).

Resposta: A

3. RESOLUÇÃO:

Durante a noite, a água mantém-se aquecida pelo calor recebido durante o dia; o ar aquecido sobe, formando uma zona de baixa pressão. Ao mesmo tempo, em terra, o rápido esfriamento da superfície forma uma zona de alta pressão e o ar continental começa, então, a se deslocar para o mar para cobrir a diferença de pressão, formando a brisa terrestre.

Resposta: A

4. RESOLUÇÃO:

A inversão térmica é típica do inverno. Nas grandes cidades, os gases emitidos ficam retidos próximo à superfície pelo fato de não ocorrer a convecção térmica, já que o ar e os gases estão mais frios do que as camadas superiores da atmosfera.

Resposta: E

5. RESOLUÇÃO:

(1) Verdadeira.

(2) Falsa.

As grades vazadas permitem que o ar transite dentro da geladeira, permitindo que o calor chegue ao con ge lador por convecção.

(3) Verdadeira.

Resposta: D

6. RESOLUÇÃO:

A circulação do magma no subsolo provoca variação de pressão e aumento de temperatura da água, provocando seu deslocamento para a superfície e o seu aproveitamento para geração de energia elétrica.

Resposta: A

7. RESOLUÇÃO:

A presença de ventos constantes nos remete à escolha da energia eólica, que não apresenta resíduos de operação e não produz gases do efeito estufa.

A energia solar não seria adequada por se tratar de região chuvosa.

A energia hidroelétrica é descartada por ter a região poucos recursos hídricos.

A energia dos biocombustíveis não é adequada por ter impacto ambiental.

A energia nuclear tem grandes riscos ambientais.

Resposta: E

8. RESOLUÇÃO:

A posição adequada do aparelho de ar condicionado está ligado ao fato de propiciar correntes de convecção térmica com ar quente subindo (menos denso) e ar frio descendo (mais denso).

Resposta: D