Célula de convecção - Convection cell
No campo da dinâmica dos fluidos , uma célula de convecção é o fenômeno que ocorre quando existem diferenças de densidade dentro de um corpo de líquido ou gás . Essas diferenças de densidade resultam em correntes ascendentes e / ou descendentes, que são as principais características de uma célula de convecção. Quando um volume de fluido é aquecido, ele se expande e se torna menos denso e, portanto, mais flutuante do que o fluido circundante. A parte mais fria e densa do fluido desce para se estabelecer abaixo do fluido mais quente e menos denso, e isso faz com que o fluido mais quente suba. Esse movimento é chamado de convecção , e o corpo em movimento do líquido é chamado de célula de convecção . Este tipo particular de convecção, onde uma camada horizontal de fluido é aquecida por baixo, é conhecido como convecção Rayleigh-Bénard . A convecção geralmente requer um campo gravitacional, mas em experimentos de microgravidade, a convecção térmica foi observada sem efeitos gravitacionais.
Os fluidos são generalizados como materiais que exibem a propriedade de fluxo ; no entanto, esse comportamento não é exclusivo para líquidos. As propriedades dos fluidos também podem ser observadas em gases e até mesmo em partículas sólidas (como areia, cascalho e objetos maiores durante deslizamentos de rochas ).
Uma célula de convecção é mais notável na formação de nuvens com sua liberação e transporte de energia. À medida que o ar se move ao longo do solo, ele absorve calor, perde densidade e sobe para a atmosfera. Quando é forçado a entrar na atmosfera, que tem uma pressão de ar mais baixa, não pode conter tanto fluido quanto em uma altitude mais baixa, por isso libera seu ar úmido, produzindo chuva. Neste processo, o ar quente é resfriado; ele ganha densidade e cai em direção à terra e a célula repete o ciclo.
As células de convecção podem se formar em qualquer fluido, incluindo a atmosfera da Terra (onde são chamadas de células de Hadley ), água fervente, sopa (onde as células podem ser identificadas pelas partículas que transportam, como grãos de arroz), o oceano ou o superfície do sol . O tamanho das células de convecção é amplamente determinado pelas propriedades do fluido. As células de convecção podem ocorrer até mesmo quando o aquecimento de um fluido é uniforme.
Processar
Um corpo de fluido em ascensão normalmente perde calor quando encontra uma superfície fria quando troca calor com líquido mais frio por troca direta ou, no exemplo da atmosfera terrestre , quando irradia calor. Em algum ponto, o fluido se torna mais denso do que o fluido abaixo dele, que ainda está subindo. Como não pode descer através do fluido ascendente, ele se move para um lado. A alguma distância, sua força descendente supera a força ascendente abaixo dela e o fluido começa a descer. À medida que desce, ele se aquece novamente por contato com a superfície ou condutividade e o ciclo se repete.
Dentro da troposfera da Terra
Trovoadas
O ar quente tem uma densidade mais baixa do que o ar frio, então o ar quente sobe dentro do ar mais frio, semelhante aos balões de ar quente . As nuvens se formam à medida que o ar relativamente mais quente que carrega a umidade sobe no ar mais frio. Conforme o ar úmido sobe, ele esfria, fazendo com que parte do vapor d'água no pacote de ar que sobe se condense . Quando a umidade se condensa, ela libera energia conhecida como calor latente de vaporização, que permite que o pacote de ar ascendente resfrie menos do que o ar circundante, continuando a ascensão da nuvem. Se houver instabilidade suficiente na atmosfera, esse processo continuará por tempo suficiente para a formação de nuvens cumulonimbus , que sustentam relâmpagos e trovões. Geralmente, as tempestades requerem três condições para se formar: umidade, uma massa de ar instável e uma força de elevação (calor).
Todas as tempestades, independentemente do tipo, passam por três estágios: um 'estágio de desenvolvimento', um 'estágio de maturidade' e um 'estágio de dissipação'. A tempestade média tem um diâmetro de 24 km (15 mi). Dependendo das condições presentes na atmosfera, essas três etapas levam em média 30 minutos para serem percorridas.
Processos adiabáticos
O aquecimento causado pela compressão do ar descendente é responsável por fenômenos de inverno como o chinook (como é conhecido no oeste da América do Norte) ou o Föhn (nos Alpes).
Dentro do sol
A fotosfera do Sol é composta de células de convecção chamadas grânulos , que são colunas ascendentes de plasma superaquecido (5.800 ° C) com um diâmetro médio de cerca de 1.000 quilômetros. O plasma esfria à medida que sobe e desce nos espaços estreitos entre os grânulos.