Principal diferença - Convecção vs. Radiação

Convecção e radiação são ambos mecanismos de transferência de calor. Eles permitem que a energia térmica seja transportada de um lugar para outro. o principal diferença entre a convecção e a radiação é que convecção é um mecanismo de transferência de calor que envolve um fluxo de massa de material. A radiação, por outro lado, é uma transferência de calor usando energia eletromagnética. Consequentemente, a radiação pode transferir calor por meio do vácuo.

O que é convecção

A convecção é o mecanismo de transferência de calor em materiais por meio do fluxo de massa do material. Para conduzir o 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. Existem dois tipos principais de convecção: natural e forçado.

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 coeficiente de transferência de calor por convecção. Este coeficiente depende de uma série de propriedades, incluindo a densidade, viscosidade e a taxa de fluxo do fluido.

Convecção natural

No Convecção natural, o fluxo de materiais é causado por diferenças de densidade. Por exemplo, consideremos uma chaleira com água sendo aquecida em um fogão. Conforme a água esquenta no fundo da chaleira, ela se expande. Isso significa que as moléculas de água agora estão mais afastadas, o que faz com que a densidade da água na parte inferior diminua. Agora, a água no fundo da chaleira é menos densa em comparação com a água na parte superior da chaleira. Devido à diferença de densidade, a água mais quente do fundo sobe para o topo enquanto a água mais fria do topo desce para o fundo. O processo se repete até que a parte superior e a inferior estejam na mesma temperatura.

O fluido quente ascendente não pode subir ao longo da mesma linha onde o fluido frio está afundando. Portanto, o fluido precisa se mover horizontalmente antes de subir / descer para o próximo ciclo. Isso configura células de convecção no fluido, conforme mostrado no diagrama abaixo.

Células de Convecção

A convecção natural é responsável pelas correntes de ar e também é um dos principais fatores envolvidos nas correntes oceânicas.

A convecção também é um fator importante na tectônica de placas. As partes internas do manto da Terra são mais quentes do que a parte externa, e isso faz com que as células de convecção se formem no manto. O manto é sólido e o movimento do material dentro do manto é bastante lento, cerca de 20 mm por ano.

Convecção no Manto da Terra

Convecção forçada

Convecção forçada ocorre quando o movimento do material é movido usando um mecanismo externo, como um ventilador ou uma bomba. Os aquecedores com ventilador são um bom exemplo de convecção forçada. No corpo humano, o coração também atua como uma bomba responsável pela convecção forçada de calor em todo o corpo.

O que é radiação

Radiação descreve a transferência de calor por meio de radiação eletromagnética. Devido à energia cinética, as moléculas que constituem os objetos estão sempre em movimento. Isso faz com que as cargas nessas moléculas se movam, o que resulta na criação de ondas eletromagnéticas.

A taxa na qual um objeto emite calor por meio da radiação é dada pelo Lei Stefan-Boltzmann:

Onde

é a área da superfície do objeto e

é sua temperatura absoluta.

é o Constante de Stefan-Boltzmann,

.

A quantidade

é chamado emissividade. Tem um valor entre 0 e 1.

é maior para objetos mais escuros com superfícies mais escuras, que emitem e absorvem bem a radiação. Superfícies brilhantes absorvem e emitem muito menos radiação e têm emissividades próximas de 0. Uma superfície ideal que é tanto um absorvedor perfeito quanto um emissor de radiação tem uma emissividade de 1 e é chamada de negro.

Como o objeto está emitindo radiação para o ambiente, ele também está absorvendo radiação do ambiente. Se os arredores estiverem a uma temperatura de

, a taxa líquida na qual um corpo irradia calor é dada por

Se

há uma radiação de calor líquida do corpo para os arredores.

Os objetos emitem alguns comprimentos de onda de radiação mais do que outros. Normalmente, quanto mais quente o corpo, menor o comprimento de onda mais emitido. Por exemplo, estrelas mais quentes devem ter uma cor mais azulada (comprimento de onda menor) em comparação com as mais frias e vermelhas (comprimento de onda maior). Para um corpo negro ideal a uma temperatura absoluta

, Lei de Wien dá o comprimento de onda

qual é o mais emitido:

À temperatura ambiente, o comprimento de onda primário irradiado pelos corpos está na faixa do infravermelho. O gráfico abaixo mostra a densidade de energia de um determinado comprimento de onda irradiado por um corpo negro em várias temperaturas diferentes.

Radiação - Lei de Wien

Os termogramas utilizam a radiação térmica emitida pelo corpo para rastrear doenças e as câmeras infravermelhas são utilizadas para “enxergar” no escuro. A radiação de estrelas distantes também é usada para medir a distância entre a Terra e as estrelas.

Diferença entre convecção e radiação - termograma de uma casa com eficiência energética em primeiro plano, irradiando muito menos energia térmica em comparação com uma casa tradicional irradiando muito mais energia (plano de fundo)

Qual é a diferença entre Convecção e Radiação

Origem

Convecção ocorre como resultado da expansão térmica da matéria.

Radiação é o resultado do movimento de cargas nos materiais devido à energia cinética das moléculas.

Mecanismo

Convecção envolve uma transferência de massa de um material, normalmente um fluido.

Radiação envolve uma onda eletromagnética. A própria matéria não se move.

Médio

Convecção requer um meio.

Radiação não requer um meio e pode transferir calor por meio do vácuo.

Dependência de Temperatura

Convecção resulta em uma taxa de fluxo de calor que é aproximadamente diretamente proporcional à diferença de temperatura.

Radiação resulta em uma taxa de fluxo de calor que é dependente da diferença entre as quartas potências de temperatura do objeto e do ambiente.

Referências

Liu et al., (2007). Convecção em pequena escala no manto superior abaixo das montanhas Tian Shan da China. Física da Terra e Interiores Planetários (163), 179-190

Imagem Cortesia

“Centro: células de convecção em um vaso, topo: produção de calor, fundo: entrada de calor” por Eyrian (próprio trabalho) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

“Mostra como as dorsais oceânicas são formadas, a litosfera subduzida nas trincheiras; bom para entender as placas tectônicas. ” por Surachit (Obra própria) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

“Lei da radiação de Wien / Prawo Wiena” por 4C (Trabalho próprio, baseado na versão JPG) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

“Termograma de um edifício Passivhaus, com um edifício tradicional ao fundo.” por Passivhaus Institut (Copiado para Commons de http://en.wikipedia.org. Fonte original Passivhaus Institut, Alemanha - http://www.passiv.de) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons