Aula 3 - Convecção - Teoria

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Fenômeno de Transferência Professor Hans 
Aula 3: Convecção - Teoria 
 
 
Convecção Térmica 
A convecção térmica é um processo de 
transferência de calor que ocorre em fluidos (líquidos 
ou gases) devido à diferença de temperatura dentro do 
fluido. Esse processo envolve o movimento das 
partículas do fluido, resultando no transporte de calor 
de uma região para outra. 
 
Existem dois tipos principais de convecção térmica: 
 
 
 Convecção Natural (ou Livre): Nesse tipo de 
convecção, o movimento do fluido é impulsionado 
principalmente por diferenças de densidade causadas 
por variações de temperatura. Quando uma região de 
fluido é aquecida, ela se torna menos densa e tende a 
subir, enquanto a região mais fria, mais densa, tende a 
descer. Esse movimento cria correntes de convecção 
que transferem calor. Um exemplo comum é a 
circulação do ar quente próximo a um radiador. 
 
 Convecção Forçada: Aqui, o movimento do fluido 
é induzido por uma fonte externa, como uma bomba ou 
um ventilador. Isso é comum em sistemas de 
aquecimento, ventilação e ar condicionado, onde o ar é 
forçado a circular por dutos para distribuir o calor de 
maneira eficiente. 
 
A Lei de Newton da Convecção 
A Lei de Newton da Convecção, também conhecida 
como Lei do Resfriamento de Newton, é uma relação 
empírica que descreve a taxa de transferência de calor 
por convecção entre uma superfície sólida e um fluido 
circundante. Essa lei foi formulada por Sir Isaac 
Newton e é amplamente usada na engenharia para 
calcular o fluxo de calor em sistemas que envolvem 
transferência de calor por convecção. 
 
A forma básica da Lei de Newton da Convecção é a 
seguinte: 
�̇� = 𝒉𝑨𝜟𝑻 
 
onde: 
 �̇� é o fluxo de calor (taxa de transferência de calor) 
entre a superfície e o fluido circundante, em Watts (W) 
ou outras unidades de energia por unidade de tempo. 
 h é o coeficiente de transferência de calor por 
convecção, em unidades de W/(m²·K) (Watts por 
metro quadrado por Kelvin). O coeficiente h representa 
a eficiência da transferência de calor por convecção e 
depende das propriedades do fluido, das características 
da superfície e das condições operacionais. 
 A é a área de superfície em contato com o fluido, em 
metros quadrados (m²). 
 ΔT é a diferença de temperatura entre a superfície 
sólida e o fluido circundante, em Kelvin (K). 
 
A figura abaixo ilustra o perfil de temperatura para 
o caso de um fluido escoando sobre uma superfície 
aquecida. 
 
 
Essa relação simplificada é uma aproximação e 
assume condições ideais de transferência de calor. Em 
casos mais complexos, especialmente quando há 
mudanças significativas nas propriedades do fluido, 
flutuações de temperatura, variações no fluxo de fluido 
ou geometrias complicadas, equações mais detalhadas 
e modelos mais avançados podem ser necessários. 
 
Camada Limite 
Quando um fluido escoa ao longo de uma 
superfície, seja o escoamento em regime laminar ou 
turbulento, as partículas na vizinhança da superfície 
são desaceleradas em virtude das forças viscosas. A 
porção de fluido contida na região de variação 
substancial de velocidade, ilustrada na figura abaixo, é 
denominada de camada limite hidrodinâmica. 
 
 
 
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Consideremos agora o escoamento de um fluido ao 
longo de uma superfície quando existe uma diferença 
de temperatura entre o fluido e a superfície. Neste caso, 
o fluido contido na região de variação substancial de 
temperatura é chamado de camada limite térmica. Por 
exemplo, analisemos a transferência de calor para o 
caso de um fluido escoando sobre uma superfície 
aquecida, como mostra a figura abaixo. Para que 
ocorra a transferência de calor por convecção através 
do fluido é necessário um gradiente de temperatura 
(camada limite térmica) em uma região de baixa 
velocidade (camada limite hidrodinâmica). 
 
 
O mecanismo da convecção pode então ser 
entendido como a ação combinada de condução de 
calor na região de baixa velocidade onde existe um 
gradiente de temperatura e movimento de mistura na 
região de alta velocidade. 
 
Determinação do Coeficiente de Película (H) 
Como visto anteriormente, o coeficiente h é uma 
função complexa de uma série de variáveis 
relacionadas com as seguintes características. Logo, h 
é uma função do tipo: 
 
 
 
D: é a dimensão que domina o fenômeno da 
convecção. Ex: diâmetro de um tubo, altura de uma 
placa, etc 
μ: viscosidade dinâmica do fluido; 
ρ: densidade do fluido; 
cp: calor específico do fluido; 
k: condutividade térmica do fluido; 
δ: coeficiente de expansão volumétrica 
V: velocidade do fluido; 
g: aceleração da gravidade; 
ΔT: diferença de temperatura entre a superfície e o 
fluido 
 
 
 
 
Para Convecção Forçada a equação é do tipo: 
 
 
 
 
Para Convecção Natural a equação é do tipo: 
 
 
Resistência Térmica na Convecção 
A expressão para a resistência térmica na convecção: 
 
 
Condução-Convecção Térmica 
A condução-convecção térmica é um processo de 
transferência de calor que combina os dois 
mecanismos de transferência de calor: condução e 
convecção. Esse processo ocorre quando há uma 
diferença de temperatura em um fluido (líquido ou gás) 
que está em contato com uma superfície sólida. A 
transferência de calor acontece em duas etapas: 
 
 Condução Térmica: A transferência de calor por 
condução ocorre através da vibração das partículas em 
um sólido ou em um fluido estacionário. Quando a 
superfície sólida mais quente entra em contato com o 
fluido, as partículas adjacentes ao sólido começam a 
ganhar energia térmica, aumentando sua agitação. Esse 
aumento na agitação térmica se propaga através do 
fluido, transferindo calor. 
 
 Convecção Térmica: Uma vez que as partículas do 
fluido próxima à superfície aquecida ganham energia 
térmica, sua densidade diminui, fazendo com que elas 
se tornem mais leves e subam. Enquanto isso, as 
partículas mais frias e densas do fluido descem para 
ocupar o espaço vago. Esse movimento cria correntes 
de convecção que, por sua vez, ajudam a transportar o 
calor de forma mais eficiente através do fluido. 
 
Consideremos uma parede plana situada entre dois 
fluidos a diferentes temperaturas. Um bom exemplo 
desta situação é o fluxo de calor gerado pela combustão 
dentro de um forno, que atravessa a parede por 
condução e se dissipa no ar atmosférico. 
 
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Podemos obter as seguintes equações para o fluxo 
de calor transferido pelo forno: 
 
 
 
 
 
Assim, 
 
 
 
Portanto, também quando ocorre a ação combinada 
dos mecanismos de condução e convecção, a analogia 
com a eletricidade continua válida; sendo que a 
resistência total é igual à soma das resistências que 
estão em série, não importando se por convecção ou 
condução. 
 
Esse processo é comum em muitas situações do dia 
a dia, como o resfriamento de um radiador de carro ou 
a transferência de calor em sistemas de resfriamento de 
computadores. Compreender a condução-convecção 
térmica é essencial para projetar sistemas de 
transferência de calor eficientes em diversas 
aplicações, desde engenharia até processos industriais. 
 
 
 
 
 
Aletas 
Aletas são estruturas alongadas e finas que são 
anexadas a uma superfície sólida para aumentar a 
eficiência da transferência de calor nessa superfície. 
 
 
 
Elas são frequentemente usadas em equipamentos e 
dispositivos onde a dissipação de calor é importante, 
como radiadores, trocadores de calor, resfriadores de 
computador e sistemas de resfriamento em geral. 
As aletas são projetadas de forma a aumentar a área 
de superfície disponível para a transferência de calor. 
Isso é alcançado através do aumento da superfície 
exposta ao fluido (líquido ou gás) que está em contato 
com as aletas. O aumento da área de superfície permite 
que mais calor seja transferido do material sólido para 
o fluido, melhorando assim a eficiênciageral da 
dissipação de calor. 
Existem diferentes tipos de aletas, como aletas 
retangulares, triangulares e curvas, cada uma projetada 
para atender a diferentes requisitos de transferência de 
calor e fluxos de fluido. O desenho e a geometria das 
aletas são otimizados para maximizar a taxa de 
transferência de calor, considerando fatores como a 
velocidade do fluido, a condutividade térmica do 
material, a geometria da superfície sólida e outras 
variáveis relevantes. 
Em suma, as aletas desempenham um papel crucial 
na eficiência dos processos de dissipação de calor, 
permitindo que sistemas e dispositivos mantenham 
temperaturas adequadas e operem de forma segura e 
eficiente, prevenindo o superaquecimento e potenciais 
danos.