Correntes de convecção III
(Latas e tubos)

Prof. Luiz Ferraz Netto

leobarretos@uolç.com.br

leo@feiradeciencias.com.br

Objetivo
Evidenciar a transferência de calor por deslocamento de massas; a convecção.
 

Princípio
Quando você, utilizando uma tenaz, leva um bloco de carvão ao rubro da churrasqueira para uma bacia com água, estará efetuando uma transferência de calor da fonte quente (churrasqueira) para a fonte fria (água). Este modo do calor propagar-se, usando de um veículo externo (você, no caso), denomina-se convecção. No aquecimento dos fluidos (líquidos e gases) o modo de propagação do calor segue o mesmo princípio, apenas que, o veículo externo é, no geral, a gravidade terrestre. Massas de fluidos quentes, menos denso, sobem (levando energia térmica para locais mais frios) e massas de fluidos frios (mais densos) descem, sob ação da gravidade.

Material

2 latas de boca larga e capacidade para 1 ou 0,5 litro (latas de leite em pó),
4 tubinhos de cobre de 8 cm de comprimento e 0,6 cm de diâmetro (ver detalhes),
1 conjunto de sorinho ("equipo") ou 1 m de tubo plástico transparente,
1 ebulidor simples de 300 a 500 W,
1 termômetro e base de madeira (20 x 60) cm.

Montagem

Comece a operação de montagem fazendo 2 furos em cada lata; um a 1/4 da altura a contar do fundo e outro a 1/4 da altura a contar da boca. Os diâmetros desses furos devem ser tais que permitam a passagem dos tubinhos de cobre e estes, por sua vez, de diâmetro ligeiramente menor que o diâmetro do tubo plástico transparente ou do tubo retirado do "equipo".
Introduza os tubinhos de cobre nos orifícios, até a metade e, a seguir, solde os tubos nas latas (esta operação deve ser feita por adulto, com ferro de solda e estanho adequados).

A seguir, fixe as latas na tábua base. Esta operação pode ser feita usando parafuso de rosca soberba (e arruela de couro ou borracha) passando por um furo no centro da base da lata ou soldando cantoneiras nas bordas inferiores das latas.

Corte dois pedaços de tubo plástico transparente (ou ´sorinho´), que farão as conexões de uma lata com outra (cerca de 40 cm cada pedaço); passe cada um desses tubos pelo controle de vazão e encaixe as extremidades nos tubinhos de cobre que sobressaem das latas.

Procedimento
Ajuste os controles de vazão de modo que obstrua completamente a passagem de água através dos tubos plásticos (gire o botão do controle para trás). Coloque água nas duas latas até acima do nível do tubo plástico mais alto; em uma das latas (a da esquerda, na ilustração) coloque um pouco de corante orgânico, introduza o ebulidor e o termômetro. Tubo pronto para as experimentações.
 

Antes do ebulidor  ser ligado (na tomada de 110 V da rede elétrica domiciliar) os controles de vazão devem estar impedindo qualquer transcurso de água de uma lata para outra; este procedimento é necessário para que o processo de troca de calor não se inicie antes da água ferver, o que prejudicaria uma boa observação do fenômeno.

Acompanhe o aumento da temperatura da água com o termômetro. Com os tubos de conexão obstruídos (pelos controles de vazão), a água aumenta de temperatura apenas dentro da lata onde está o ebulidor.

Quando a água entrar em ebulição, pode-se aproveitar a oportunidade para demonstrar aos alunos que a temperatura da água permanece constante enquanto ela ferve (um lei da ebulição).

Depois que a água ferver, os controles de vazão podem ser abertos (liberar o fluxo de água nos tubos plásticos), mantendo-se o ebulidor ligado. Aprecie o interior das latas, por cima, e observe o turbilhão formado pela água quente ao invadir a água fria na outra lata (dai a vantagem de usar corante na água quente) pelo tubo superior.

O tubo plástico superior se apresenta ao toque bem quente, enquanto que o inferior se apresenta frio. Mediante o termômetro pode-se comprovar que a água quente vai esfriando e a água fria vai esquentando. Está ocorrendo troca de calor da água das duas latas com o ebulidor (fonte quente); o ebulidor faz (no comentário do princípio de funcionamento) o papel de churrasqueira, a água quente o papel de carvão em brasa e a água fria o papel da água fria na bacia --- a gravidade faz o papel de ´veículo externo´ ou ´transportador´. A água fria (mais densa) se desloca em sentido ao ebulidor, trocando de lugar com a água quente (menos densa) que se afasta dele (sobe).

Assim, a convecção se caracteriza pela troca de calor através do deslocamento de porções de água quente e fria. Os fluxos de água quente através do tubo superior e água fria pelo tubo inferior são as correntes de convecção.

Conclusão

O processo de troca de calor por convecção pode ser construído com material de baixo custo. A atividade é útil para professores de escolas públicas as quais, como sabemos, com parcos recursos materiais. Outra vantagem do experimento proposto é que a demonstração do fenômeno não depende da utilização de um termômetro. O professor que encontrar dificuldades em conseguir um termômetro para a realização do experimento, pode fazer uso da visão e do tato (experimentando aproximar cuidadosamente a mão para verificar qual tubo de alumínio está frio ou quente e olhando o turbilhão de água quente dentro do canecão com água fria ou ainda colocando corante em um dos canecões) para demonstrar a troca de calor por convecção. A sugestão fundamental é que os alunos participem da demonstração verificando os efeitos descritos pelo professor interativamente.  

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