Enzo Rocha Fotografia: Célula de Convecção

A definição de uma célula de convecção

Uma célula de convecção é um sistema no qual um fluido é aquecido, perde densidade e é forçado a uma região de maior densidade. O ciclo se repete e um padrão de formas de movimento.

As células de convecção na atmosfera da Terra são responsáveis pelo sopro do vento e podem ser encontradas em uma variedade de outros fenômenos naturais e artificiais.

O que é uma célula de convecção?

O processo de convecção é o principal meio de transferência de calor dentro de um fluido exposto a uma fonte de calor.

Geralmente, o fluido, que pode ser um líquido ou um gás, é aquecido por baixo por uma superfície quente; o aumento da temperatura resulta em uma diminuição na densidade, fazendo com que o fluido suba e o fluido mais frio flua para dentro para substituí-lo. À medida que sobe, perde calor para os arredores, tornando-se mais denso e mais pesado que o fluido abaixo.

Ele não pode descer através desse fluido ascendente, então se espalha horizontalmente antes de voltar para a superfície e ser atraído para o ponto de partida pelo fluido ascendente. Esse sistema é conhecido como célula de convecção e é uma característica da dinâmica de fluidos que pode ser observada em várias situações, desde a água que é aquecida em uma panela até os processos em escala planetária ou estelar.

A atmosfera da Terra apresenta células de convecção em grande escala: as regiões equatoriais recebem mais calor do sol do que os pólos, fazendo com que o ar quente suba e depois flua em direção a latitudes mais altas, onde desce para fluir de volta em direção ao equador, formando uma enorme célula de convecção Em ambos os lados. Estes são conhecidos como células de Hadley.

O vapor de água no ar ascendente condensa à medida que o ar esfria em altitudes mais altas e pode formar nuvens cumulonimbus altíssimas que produzem tempestades. O ar geralmente desce cerca de 30 graus ao norte e ao sul do equador, quando já perdeu a maior parte de sua umidade; Como resultado, essas regiões geralmente são áridas e contêm alguns dos grandes desertos do mundo.

O movimento subsequente do ar de volta ao equador é responsável pelos ventos alísios.

O calor do núcleo da Terra mantém a circulação de rochas quentes e fluidas no manto superior, formando células de convecção abaixo da crosta.

O movimento resultante da rocha derretida ou semi-derretida impulsiona o processo conhecido como tectônica de placas, responsável por dividir a crosta em “placas” continentais que se movem uma em relação à outra.

Esse fenômeno é responsável por terremotos e atividades vulcânicas. Áreas da superfície da Terra que ficam diretamente acima de uma célula de convecção podem se separar e se separar, formando novas placas, como no Vale do Rift, na África. Uma placa existente, impulsionada pelas correntes de convecção abaixo, pode empurrar para outra placa, construindo cadeias de montanhas como o Himalaia.

As células de convecção também existem no sol. Imagens da superfície do sol revelam uma estrutura granular composta por áreas quentes e brilhantes, cercadas por limites mais escuros e frios. Cada grânulo indica o topo de uma célula de convecção formada por plasma que é aquecido por baixo e sobe para a superfície, esfriando e depois se espalhando e descendo novamente no limite.

Noções básicas de convecção

Convecção, juntamente com condução e radiação, é um dos três métodos de transferência de calor. A convecção ocorre através do movimento real da matéria. Isso significa que a convecção só pode ocorrer em gases, líquidos e plasma – e não em matéria sólida. Um bom exemplo de convecção é em um balão de ar quente. À medida que o ar no balão é aquecido, as moléculas das quais ele é composto se espalham.

Isso leva a um aumento no volume do ar, o que leva a uma diminuição na densidade. A matéria densa se transforma em matéria menos densa sempre que há uma chance.

O ar quente no balão é empurrado para cima pelo ar mais frio da atmosfera circundante, levando o balão com ele.

Células de convecção

É necessária uma fonte de calor para formar uma célula de convecção.

O fluido é aquecido pela fonte de calor e é empurrado para longe. O fluido então começa a perder calor e, inevitavelmente, esfria.

Essa matéria mais fria e mais densa é forçada de volta à fonte de calor inicial pelo fluxo de matéria recém-aquecida. Um sistema de formas de movimento, chamado célula de convecção.

O fluido continuará se movendo enquanto a fonte de calor estiver presente.

Zonas de pressão de ar

Dentro da troposfera existem células de convecção. O ar aquecido no solo aumenta, criando uma zona de baixa pressão. O ar da área circundante é sugado para o espaço deixado pelo ar ascendente.

O ar flui horizontalmente no topo da troposfera; fluxo horizontal é chamado advecção. O ar esfria até descer. Quando o ar atinge o solo, cria uma zona de alta pressão.

O ar que flui de áreas de alta pressão para baixa pressão cria ventos. Quanto maior a diferença de pressão entre as zonas de pressão, mais rápido o vento sopra.

O ar quente pode reter mais umidade que o ar frio. Quando o ar quente sobe e esfria em uma zona de baixa pressão, pode não ser capaz de reter toda a água que contém como vapor.

Algum vapor de água pode condensar para formar nuvens ou precipitação. Quando o ar frio desce, aquece. Como ele pode reter mais umidade, o ar descendente evapora a água no chão.

Resumo

Uma célula de convecção é um fenômeno da dinâmica de fluidos que ocorre em situações em que há diferenças de temperatura dentro de um corpo de líquido ou gás.

Fluidos são materiais que exibem a propriedade de fluxo. Tanto os gases quanto os líquidos têm propriedades fluidas e, em quantidade suficiente, até os sólidos particulados, como sal, grãos ou cascalho, apresentam algumas propriedades fluidas. Quando um volume de fluido é aquecido, ele se expande e se torna menos denso e, portanto, mais flutuante que o fluido circundante.

O fluido mais frio e mais denso se instala sob o fluido mais quente e menos denso e o força a subir. Esse movimento é chamado de convecção, e o corpo móvel do líquido é chamado de célula de convecção.

Um corpo em ascensão de fluido normalmente perde calor porque encontra uma superfície fria, porque troca calor com líquido mais frio por troca direta, ou no exemplo da atmosfera da Terra, porque irradia calor.

Em algum momento, o fluido se torna mais denso do que o líquido abaixo dele, que ainda está subindo. Como não pode descer através do fluido ascendente, move-se para um lado. A certa distância, sua força descendente supera a força ascendente abaixo dela e o fluido começa a descer. À medida que desce, aquece novamente por contato superficial, condutividade ou compressão, e o ciclo se repete. (O aquecimento por compressão do ar descendente é o responsável por fenômenos de inverno tão bem-vindos como o que é conhecido no oeste da América do Norte como chinook ou nos Alpes como foehn.)

As células de convecção podem se formar em qualquer fluido, incluindo a atmosfera da Terra, água fervente ou sopa (onde as células podem ser identificadas por partículas que transportam, como grãos de arroz), oceano, superfície do sol ou até o campo de um fazendeiro , onde grandes rochas foram forçadas à superfície ao longo do tempo em um processo análogo ou diretamente relacionado à convecção (a conexão ainda não está clara).

O tamanho das células de convecção é determinado em grande parte pelas propriedades do fluido e pode até ocorrer quando o aquecimento de um fluido é uniforme.

A fotosfera do Sol é composta por células de convecção chamadas grânulos, colunas crescentes de plasma superaquecido (5800° C), com média de cerca de 1000 quilômetros de diâmetro.

O plasma esfria à medida que sobe e desce nos espaços estreitos entre os grânulos.

Célula de convecção na crosta terrestre são capazes de construir montanhas