Água adjacente a fonte de calor sofre convecção natural — circulação auto-sustentada impulsionada por diferenças de densidade.
O Ciclo
- Aquecimento: Moléculas na superfície do aquecedor ganham energia cinética → expandem → densidade cai (ρ↓).
- Subida: Forças de flutuabilidade empurram fluido quente para cima.
- Deslocamento: Fluido mais frio e denso (ρ↑) afunda para substituir.
- Reaquecimento: Fluido frio entrante contata aquecedor → ciclo repete.
Padrão de Fluxo Resultante
- Pluma vertical acima do aquecedor.
- Fluxo de retorno ao longo de paredes mais frias.
- Estratificação térmica se recipiente alto e aquecimento localizado — camada quente no topo, fria no fundo.
Física Governante
- Número de Rayleigh (Ra):
Ra = g·β·ΔT·L³ / (ν·α). Ra > 10³ → convecção domina condução.
- Número de Nusselt (Nu): Razão transferência convectiva/condutiva. Correlações:
Nu = C·Raⁿ (n ≈ 1/3 laminar, 1/4 turbulento).
Exemplos Reais
- Tanque aquecedor água: Entrada fria dip tube → fundo; saída quente topo — convecção estratifica eficientemente.
- Panela: Movimento rolante visível (células Rayleigh-Bénard).
- Lago/oceano: Aquecimento solar → camada mista / termoclina.
- Resfriamento motor: Termossifão (era pré-bomba) — mesmo princípio.
Implicação Prática
Convecção redistribui calor sem bomba. Mas é lenta (cm/s). Convecção forçada (bomba, ventilador) aumenta transferência 10–100×. Projete adequadamente.
