Diferença entre convecção e condução

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Principal diferença - convecção vs. condução
O que é condução
O que é convecção
Diferença entre convecção e condução

Principal diferença - convecção vs. condução

Convecção e condução são ambos mecanismos de transferência de calor. o principal diferença entre a convecção e a condução é que, eun convecção, o calor é transferido através de um fluxo de massa de material enquanto, na condução, o calor é transferido por meio de colisões de partículas que compõem o material.

O que é condução

As partículas que constituem a matéria estão sempre em movimento. Quando a temperatura aumenta, as partículas têm energias cinéticas maiores e, conseqüentemente, vibram com amplitudes maiores. Durante a condução, uma partícula vibratória bate em uma partícula vizinha, transmitindo energia a essa partícula. Esta partícula agora vibra com uma amplitude maior e pode colidir com outro átomo vizinho, dando-lhe energia. Esse processo de transferência de energia pode continuar de uma ponta a outra de um objeto. Uma vez que um aumento na energia cinética das partículas se manifesta fisicamente como um aumento na temperatura, o aumento gradual nas energias cinéticas das partículas ao longo do objeto é acompanhado por um aumento gradual na temperatura ao longo do objeto. Este processo, pelo qual o calor é transferido como resultado da colisão de partículas, é denominado condução.

A capacidade de um material de transferir calor por condução é caracterizada por sua condutividade. A taxa de transferência de calor,

ou a corrente de calor, entre dois objetos com uma diferença de temperatura de

É dado por

Onde

são a área da seção transversal e o comprimento do condutor que transfere calor, respectivamente. A carta

é o condutividade térmica, medido em unidades de W m^-1 K^-1.

Como visto na equação, a taxa de transferência de calor é diretamente proporcional à diferença de temperatura e à área da seção transversal do condutor, e inversamente proporcional ao comprimento do condutor. O valor da condutividade térmica depende das propriedades microscópicas do material. Os metais são bons condutores térmicos porque contêm um grande número de elétrons livres que podem colidir livremente para transferir energia. Nesse ínterim, os íons que formam a rede vibram sobre posições fixas também colidem e transferem calor. No entanto, os elétrons livres são responsáveis pela maior parte da transferência de calor nos metais.

O que é convecção

A convecção é o mecanismo de transferência de calor em materiais por meio de um fluxo de massa do material. Aqui, a fim de transferir calor, partes do próprio material se movem - ou seja, há uma transferência de massa dentro do material. Normalmente, a convecção ocorre em fluidos. No entanto, os efeitos da convecção podem ser vistos às vezes em sólidos, como no caso das placas tectônicas. O diagrama abaixo mostra os padrões de turbilhonamento de convecção formados pelo vapor subindo de uma xícara de café:

Correntes de convecção começando a se formar em vapor saindo de uma xícara de líquido quente

A convecção é um processo complexo e não existe uma equação simples que o descreva totalmente. No entanto, podemos fazer uso de uma aproximação para os casos em que um fluido é aquecido usando uma superfície sólida. Para esses casos, a taxa de transferência de calor

É dado por,

Onde

é a área de superfície pela qual o calor é transferido,

é a temperatura do sólido,

é a temperatura do ar.

é conhecido como o coeficiente de transferência de calor convectivo. Este coeficiente depende de uma série de propriedades, incluindo a densidade, viscosidade e a taxa de fluxo do fluido. A unidade para o coeficiente de transferência de calor por convecção é W m^-2 K^-1.

Observe que os fluidos que transferem calor por convecção também estão transferindo calor por condução. Se a condução for muito eficaz, pode evitar a formação de correntes de convecção e impedir a transferência de calor por convecção. Se o mecanismo de transferência de calor dominante é a condução ou convecção de um fluido, pode ser encontrado calculando um número conhecido como Número Rayleigh.

O diagrama abaixo ilustra casos em que cada um dos três tipos de mecanismo de transferência de calor é dominante.

Diferença entre os três principais mecanismos de transferência de calor ilustrados: a diferença entre convecção e radiação foi abordada em outro artigo.