Resumão - Convecção de Calor

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RESUMÃO 
ENG. MECÂNICA 
Convecção de Calor 
 
Macetes, Fórmulas e Exemplos para a prova do CP-CEM 
 
 
 
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Convecção de Calor 
 
Você que é estudante de engenharia já deve ter se perguntado (e 
provavelmente já sabe) quais são os métodos de transferência de calor. Claro 
que você já ouviu falar da condução, convecção e radiação, mas, devido às 
suas grandes importâncias, eles são muito cobrados nas provas da Marinha. 
Principalmente os dois primeiros. 
Nesse resumo, vou explicar para vocês todos os conceitos iniciais 
envolvendo o estudo da Convecção de Calor, visto que os assuntos mais 
aprofundados não costumam ser abordados. Por isso, vamos para de enrolar e 
vamos lá! 
A primeira “coisa” que temos que entender é que a convecção NÃO ocorre 
em TODOS os meios! Isso significa que ela ocorrerá somente a partir da 
movimentação de fluidos, sejam eles líquidos ou gasosos. Essa movimentação 
pode ser forçada ou natural. Nossa abordagem, não vamos nos focar em 
conceitos avançados como camada limite, cálculo de coeficiente de 
transferência de calor, etc. 
Conceito de Convecção de Calor 
Primeiro, para entendermos o conceito de convecção de calor, temos de 
entender como ela ocorre. O conceito básico sobre a conservação da energia 
nos fala que para que efetivamente haja a transmissão de energia, deve haver 
diferença de temperaturas, assim como explicamos no resumão sobre 
condução de calor. Mas ela pode ir para qualquer uma das direções? NÃO! Ela 
vai do ponto de temperatura maior para o de temperatura menor. Vamos 
então observar a Figura 1 abaixo. Podemos perceber que, caso a temperatura 
T1 for maior do que a T2, o calor será transmitido do ponto 1 até o 2. 
 
 Figura 1: Condução de calor entre pontos 1 e 2. 
EQUAÇÕES 
IMPORTANTE: 
Lei de 
Resfriamento de 
Newton: 
𝑄 = 𝐴. ℎ. (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎) 
Lembrando que: 
 A = Área [m²] 
 h = 
coeficiente de 
transferência 
de calor 
 T = 
temperatura 
[°C] 
 
 
 
 
 
 
 Mas o que vai influenciar o quanto de calor realmente vai ser transmitido? E a resposta é: a geometria do 
corpo, o meio em que ele está submerso e a diferença de temperaturas entre a superfície e o ambiente. Com 
isso, podemos determinar que o calor é dado pela Lei de Resfriamento de Newton: 
𝑄 = 𝐴. ℎ. (𝑇𝑠 − 𝑇𝑖) (1) 
 
Vamos então analisar todos os termos da Lei de 
Resfriamento de Newton: 
- “Q”: Calor efetivamente transferido por condução. 
Sua unidade é dada em Watts. 
- “A”: área da seção transversal em que o calor é 
transferido, sendo dada em m². 
- “k”: Coeficiente de transferência de calor do meio. 
Esse termo é determinado empiricamente. Dependem 
do fluido, velocidade, temperatura, etc. Sua unidade é 
dada em W/m².K. 
 
 
Agora, vamos resolver alguns exemplos para tentar mostrar como podemos aplicar esses conceitos. 
 
Exemplo 1: Calcular a quantidade de calor transferida por uma parede plana (h = 50 W/m².K) de 1 m² que 
está com temperatura de 100 e o meio está a 20 °C. 
Resolução: Como falamos antes, para determinar a quantidade de calor transmitida pela superfície por 
convecção, devemos usar a Lei de Resfriamento de Newton. 
𝑄 = 𝐴. ℎ. (𝑇𝑠 − 𝑇𝑖) 
𝑄 = 1.50. (100 − 20) 
𝑄 = 4000 𝑊 
Resposta: Então, o calor transferido é de 4000 W. O que não é um valor muito elevado, mas se 
estivéssemos em condições onde o coeficiente de transferência de calor é maior, haverá maior transferência 
de calor. 
Um conceito muito importante que sempre aparece quando falamos sobre condução de calor é o de fluxo 
de calor, assim como falamos em condução. Mas o que significa isso? Nada mais é do que uma média da 
distribuição do calor trocado pela superfície do corpo. Mas como calculamos isso? Simples! É só dividir o 
calor trocado pela área da seção que transfere o calor. A equação fica: 
𝑞′′ =
𝑄
𝐴
 (2) 
A Lei de Fourier 
relaciona o meio, 
geometria e diferença de 
temperatura do 
ambiente e da superfície 
do corpo. 
 
 
 
Podemos escrever a Lei de Resfriamento de Newton com o fluxo de calor combinando as equações 1 e 2, 
ficando então: 
𝑞" = ℎ. (𝑇𝑠 − 𝑇𝑖) (3) 
 
Resistência Térmica 
Como comentamos em condução, um conceito importantíssimo dentro de transferência de calor é o de 
Resistência Térmica. Esse conceito é muito parecido, e na verdade é baseado, no conceito de resistência 
elétrico em circuitos. 
Ele se baseia no princípio de que o calor, para ser transmitido, deve 
“vender” algumas barreiras. Essas barreiras são o que chamados de 
Resistência. Cada mecanismo de transferência de calor fornece uma 
resistência térmica, sendo que cada uma é calculada de uma forma. 
Abaixo, podemos observar como calculamos as resistências térmicas 
por condução e convecção: 
 Convecção: 
 
𝑅𝑒𝑠𝑐𝑜𝑛𝑣 =
1
ℎ.𝐴
 (4) 
 
Como a resistência térmica está associada à dificuldade que um 
mecanismo possui para transmitir o calor, quanto maior for o valor da 
resistência térmica, mais difícil é para o calor fluir de um ponto ao outro. 
Na Eq. 4, podemos ver que quanto maior o coeficiente de transferência 
de calor (h), menor a resistência térmica, ou seja, mais fácil é para o calor 
ser transferido. 
A associação de Calor, resistência térmica e diferenças de temperaturas 
é dada pela seguinte equação: 
𝑄. 𝑅 = 𝑇1 − 𝑇2 (5) 
 
Associação de Resistências Térmicas 
O que acontece quando o calor tenta atravessar mais de uma superfície? Vamos observar a Figura 2 para 
tentarmos imaginar isso: 
 
 
 EQUAÇÃO DO 
FLUXO DE CALOR: 
 
𝑞" =
𝑄
𝐴
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2: Combinação de diversas camadas na transferência de calor. 
 Vamos perceber, que da mesma forma que obtíamos em condução com o acréscimo de uma nova 
camada de material, aqui na combinação entre condução e convecção, a resistência térmica também será 
adicionada de forma a termos uma associação em série. 
 Caso tenhamos uma situação onde o calor é recebido por uma das extremidades e transmitido ao final 
por convecção, a resistência equivalente fica: 
 𝑅𝑒𝑞 = 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑅𝑐𝑜𝑛𝑣 (6)