Convecção é o transporte associado ao movimento macroscópico de um fluido. Em mecânica dos fluidos, o termo também é usado para o próprio movimento do fluido quando diferenças de densidade ou de outras propriedades interagem com forças de corpo. Em transferência de calor, convecção designa a transferência de energia entre uma superfície e um fluido em movimento, processo que combina transporte advectivo no escoamento e difusão térmica.
Na convecção natural, ou livre, o movimento surge principalmente do empuxo produzido por diferenças de densidade em um campo gravitacional. Essas diferenças podem resultar de variações de temperatura, composição ou concentração. Na convecção forçada, o escoamento é imposto por uma bomba, ventilador, agitador ou outra ação externa. Quando os dois mecanismos têm magnitudes comparáveis, ocorre convecção mista.
O escoamento convectivo pode ser transiente, como na separação de uma mistura multifásica de óleo e água, ou atingir um estado estacionário, como em uma célula de convecção. As forças que o produzem podem ser gravitacionais, eletromagnéticas ou aparentes em referenciais acelerados. A convecção participa do transporte de energia e matéria na atmosfera, nos oceanos, no manto terrestre e no interior de estrelas.
O fenômeno também pode ocorrer em sólidos capazes de deformação lenta, como alguns gelos planetários. Na maior parte dos sólidos, porém, não existe movimento macroscópico de matéria comparável ao escoamento de um fluido. A convecção granular é um fenômeno observado em material granular. A advecção designa o transporte de uma substância ou grandeza pelo movimento do fluido. Embora os termos sejam usados de maneiras diferentes entre áreas, a advecção constitui uma parte do transporte que ocorre em muitos processos convectivos.
História
Na década de 1830, o termo convection passou a ser empregado com sentido científico nos Tratados de Bridgewater. No oitavo tratado, escrito por William Prout e dedicado à química, lê-se:
[...] Esse movimento do calor ocorre de três maneiras, que uma lareira comum ilustra muito bem. Se, por exemplo, colocarmos um termômetro diretamente diante do fogo, ele logo começa a subir, mostrando um aumento de temperatura. Nesse caso, o calor atravessou o espaço entre o fogo e o termômetro pelo processo chamado radiação. Se colocarmos um segundo termômetro em contato com qualquer parte da grade, mas fora da influência direta do fogo, veremos que ele também mostra aumento de temperatura. Nesse caso, porém, o calor precisou atravessar o metal da grade por aquilo que se chama condução. Por fim, um terceiro termômetro colocado na chaminé, fora da influência direta do fogo, também mostrará aumento apreciável de temperatura. Nesse caso, parte do ar, ao passar pelo fogo ou perto dele, aqueceu e transportou para cima da chaminé a temperatura adquirida junto ao fogo. Não existe em nossa língua um único termo empregado para designar esse terceiro modo de propagação do calor. Propomos, para esse fim, o termo convection [em nota de rodapé: do latim convectio, transporte ou condução], que expressa o fato principal e se harmoniza bem com os outros dois termos.
Mais adiante no mesmo tratado, no trecho dedicado à meteorologia, Prout também empregou o conceito para o "processo pelo qual o calor é comunicado através da água".
Terminologia
A palavra convecção tem usos relacionados, mas não idênticos, em diferentes áreas.
Em mecânica dos fluidos, convecção pode se referir ao movimento macroscópico produzido quando forças de corpo atuam sobre diferenças de densidade ou de outras propriedades do fluido.
Em transferência de calor, a convecção é normalmente tratada como o transporte térmico associado a um fluido em movimento junto a uma superfície. A expressão convecção natural é usada quando o próprio empuxo gera o escoamento, enquanto convecção forçada corresponde ao escoamento imposto externamente.
Gradientes de tensão superficial ao longo de uma interface também podem produzir movimento. O fenômeno é chamado de convecção termocapilar ou convecção de Marangoni. A força motriz atua na interface, e não como uma força de corpo distribuída por todo o volume. Camadas líquidas aquecidas por baixo podem desenvolver células por esse mecanismo mesmo quando o empuxo não basta para iniciar a instabilidade.
Mecanismos No tratamento contínuo da matéria, a convecção é analisada em escalas nas quais o fluido pode ser representado por campos de velocidade, pressão, temperatura, densidade e composição. Os mecanismos que iniciam ou mantêm o movimento dependem do sistema.
Convecção natural miniatura|Células de Rayleigh-Bénard. miniatura|Imagem por fotografia schlieren de uma pluma térmica produzida pelo calor transferido de uma mão para o ar. O ar aquecido junto à mão torna-se menos denso e sobe.
Convecção natural é o escoamento produzido principalmente pelo empuxo decorrente de diferenças de densidade. Em um sistema térmico, o aquecimento altera a densidade do fluido. Sob gravidade, uma região menos densa pode subir enquanto uma região mais densa desce.
Em uma coluna de fluido, a pressão aumenta com a profundidade devido ao peso do material situado acima. A diferença de pressão entre as partes inferior e superior de um corpo imerso produz o empuxo. Quando parcelas vizinhas do próprio fluido possuem densidades diferentes, o mesmo princípio pode gerar movimento relativo entre elas.
Na Terra, a gravidade fornece a aceleração responsável pela maior parte da convecção natural por empuxo. Em microgravidade, o escoamento causado por esse mecanismo é fortemente reduzido, embora pequenas acelerações residuais possam permanecer. Isso não impede a existência de convecção forçada nem de escoamentos produzidos por tensão superficial, campos eletromagnéticos ou outras forças.
Na atmosfera, o aquecimento desigual da superfície pode gerar correntes ascendentes. Plumas acima de fogos, circulação em equipamentos resfriados sem ventiladores e movimentos em líquidos aquecidos por baixo são outros exemplos. Em sistemas de grande escala, a rotação da Terra pode modificar o movimento por meio da força de Coriolis.
A intensidade da convecção natural depende das diferenças de densidade, da aceleração efetiva, das dimensões do sistema, da viscosidade e da difusão de calor ou de soluto. O número de Rayleigh reúne essas grandezas para muitos problemas térmicos.
Em um circuito de circulação natural, uma fonte de calor pode aquecer e reduzir a densidade de parte do fluido. O fluido sobe e, ao perder calor em um dissipador situado em outra região, torna-se mais denso e retorna. Esse princípio pode manter circulação sem bomba.
Convecção forçada
miniatura|Um ventilador centrífugo impõe movimento ao ar, um exemplo de convecção forçada.
Na convecção forçada, o escoamento é produzido principalmente por uma ação externa, como uma bomba hidráulica, ventilador, agitador ou diferença de pressão imposta ao sistema. O fluido em movimento transporta energia por advecção, enquanto a difusão térmica permanece necessária para a transferência através da camada de fluido imediatamente junto a uma superfície.
A circulação bombeada em tubulações, o movimento de ar sobre um dissipador com ventilador e o escoamento em trocadores de calor são exemplos. Quando o empuxo e o movimento imposto externamente são comparáveis, emprega-se a expressão convecção mista.
Convecção gravitacional ou por empuxo Convecção gravitacional é a convecção natural produzida por diferenças de densidade que não precisam ter origem térmica. Variações de composição podem produzir o mesmo tipo de instabilidade. Quando a densidade varia devido à concentração de uma substância dissolvida, fala-se em convecção solutal.
Um exemplo estudado em solos é o movimento produzido pela dissolução de uma fonte de sal, que cria diferenças de concentração e densidade na água dos poros.
Nos oceanos, temperatura e salinidade podem atuar ao mesmo tempo sobre a densidade da água. Na atmosfera, temperatura e teor de vapor de água também modificam a densidade das parcelas de ar.
Convecção em estado sólido no gelo Na Sputnik Planitia, em Plutão, terrenos poligonais foram interpretados como manifestação superficial de convecção em estado sólido em uma camada de gelos voláteis dominada por nitrogênio, com quantidades menores de metano e monóxido de carbono. Modelos indicam que uma camada de gelo de nitrogênio com alguns quilômetros de espessura pode reproduzir a escala das células observadas.
Convecção em camadas de gelo de água também foi estudada para corpos do Sistema Solar exterior, entre eles Europa e Calisto.
Convecção termomagnética
A convecção termomagnética pode ocorrer quando um campo magnético externo atua sobre um ferrofluido cuja susceptibilidade magnética varia espacialmente. Na presença de um gradiente de temperatura, a variação de susceptibilidade pode produzir uma força magnética não uniforme e movimentar o fluido.
Combustão Em microgravidade, o escoamento convectivo causado pelo empuxo de gases quentes é suprimido. Isso altera a forma e o transporte em torno de uma chama, mas não impede a combustão. Em chamas de difusão com pouca velocidade imposta, combustível, oxidante e produtos passam a ser transportados em maior proporção pela difusão molecular, e a chama tende a adquirir forma arredondada ou esférica.
A ausência de escoamento por empuxo também aumenta o tempo de residência de gases junto à região de reação e modifica a importância relativa da difusão e da radiação. Dependendo do combustível e das condições, uma chama pode persistir ou se extinguir por perda de calor.
Exemplos e aplicações Sistemas que aproveitam circulação natural incluem alguns aquecedores solares de água e sistemas passivos de refrigeração. Na natureza, movimentos convectivos aparecem na atmosfera, nos oceanos, em mantos planetários, em gelos deformáveis e no interior de estrelas.
Experimentos de demonstração miniatura|Circulação térmica de massas de ar.
A convecção térmica em um líquido pode ser observada aquecendo uma região do recipiente e adicionando um corante que acompanhe o escoamento.
Outra demonstração usa recipientes com o mesmo líquido em temperaturas diferentes e corantes distintos. Quando água fria é colocada sobre água quente, a disposição é gravitacionalmente instável e pode formar rapidamente uma circulação. Com a água quente sobre a fria, a estratificação tende a permanecer estável.
Em gases, uma vela em um compartimento com abertura inferior e superior pode produzir um escoamento ascendente visível com fumaça usada como marcador.
Convecção difusiva dupla
A convecção difusiva dupla ocorre quando a densidade depende de dois componentes que se difundem em velocidades diferentes. No oceano, temperatura e salinidade formam um caso comum, pois calor e sal possuem difusividades moleculares diferentes.
Células de convecção
miniatura|Células de convecção entre uma superfície inferior aquecida e uma superfície superior que remove calor.
Uma célula de convecção é um padrão circulatório no qual partes do fluido sobem e outras descem. Em um exemplo simples de convecção de Rayleigh-Bénard, o fluido junto à superfície inferior aquecida torna-se menos denso e sobe. Próximo à superfície superior mais fria, perde calor, aumenta de densidade, espalha-se lateralmente e desce.
A geometria das células depende das condições de contorno, da diferença de temperatura, das propriedades do fluido e de números adimensionais como Rayleigh e Prandtl. Diferenças de composição também podem gerar células, como ocorre em eletrólitos durante processos eletroquímicos.
Convecção atmosférica
Circulação atmosférica
miniatura|esquerda|Representação idealizada da circulação global da Terra.