FÍSICA -CALORIMETRIA-CONVECÇÃO

Material:

·       Caixa de madeira (dimensões: 20cm x 12cm x 8 cm) com  dois orifícios que permitem a inserção da boca de uma garrafa plástica de 500 ml, cortada pela metade ( chaminés A e B). A parte frontal da caixa deve permitir a inserção de um pedaço de vidro plano (dimensões: 19cm x 11 cm) .

·    Um pedaço de vela; uma forminha metálica (usada para fazer empadinhas ou doces) contendo estopa com glicerina para fazer fumaça (fumaçador); massa de modelar para vedar possíveis vazamentos; fósforos

Procedimentos: 

• Com  a vela acesa, inserindo a placa de vidro plano para fechar a caixa e efetuando as vedações, a vela não apaga.  O ar quente sai pela chaminé A e  ar frio entra pela chaminé B, o que pode ser verificado colocando a mão sobre elas. Acendendo o fumaçador pode-se visualizar a saída de fumaça pela chaminé A.

• Se não for alimentada continuamente com oxigênio, a chama da vela se extingue. Uma vez que ela continua acesa, como ocorre a entrada de oxigênio na caixa ? A resposta se fundamenta no processo de transferência de calor denominado CONVECÇÃO.

O que é a convecção de calor.

            A troca de calor exige a presença de duas regiões: uma quente e outra fria. Naturalmente, o calor se propaga da fonte quente para a fria.

Nos líquidos e nos gases, a propagação de  calor acontece pela movimentação das suas respectivas moléculas. Moléculas quentes levam calor para região onde se encontram moléculas frias. Este processo é denominado CONVECÇÃO. Ela pode ser “natural” ou “forçada”.

Convecção Natural

Ocorre obedecendo a Lei do Empuxo de Arquimedes: “moléculas menos densa sobem e as mais densas descem”.

Exemplo 1: O aquecimento de água

            As moléculas de água do fundo do recipiente se aquecem em contato com essa região quente; em conseqüência, aumentam de volume e ficam menos densas, uma vez que sua massa não varia. Estando menos densas (“mais leves”) elas sobem permitindo que moléculas mais frias e mais densas desloquem-se para baixo. Formam-se assim, correntes de água mais quente subindo e água menos quente descendo. A continuidade destas correntes, chamadas “correntes de convecção” permite que a água se aqueça até ferver.

Exemplo 2: Resfriamento dos alimentos numa geladeira

As moléculas de ar internas que estão na parte superior do refrigerador esfriam em contato com o congelador. Isto ocorre porque tendo temperatura mais elevadas que este, transferem calor para o congelador, diminuindo sua temperatura.

As moléculas esfriadas descem (pois tornam-se mais densas) permitindo que moléculas mais quentes subam e sejam esfriadas no congelador. Assim, forma-se correntes de ar frio descendo e de ar mais quente subindo.

Deste modo, devido às correntes de convecção de ar que se estabelecem no interior da geladeira é que acontece o resfriamento dos alimentos  e das bebidas em seu interior.

Explicando o que ocorre na caixa

1 - A combustão da parafina da vela libera grande quantidade de calor, aquecendo o ar e os gases que formam a chama.

2 - Devido às correntes de convecção criadas, o ar quente sobe e sai pelo orifício  A,  que funciona como uma chaminé.

3 - Ao subir,  a pressão interna da caixa diminui ligeiramente. Isto faz com que o ar frio do ambiente penetre na caixa, pelo orifício B.

4 - Assim, uma corrente de convecção com o ambiente se forma: ar quente sobe por A e o ar frio desce por B. Desta forma, existirá ar renovado alimentando a combustão da vela.

Outra experiência : A cascata de fumaça

Material: 1 garrafa PET de 2 litros, transparente e dotada de um furo com diâmetro aproximado de 10 mm (que pode ser feito usando-se um prego aquecido ou um ferro de soldar) e situado a 4 dedos do fundo da garrafa;  folha de papel sulfite e fósforo.

Procedimentos: Cortar uma tira de papel sulfite de 20 x 10 cm. Com ela fazer um tubo com  comprimento 20 cm  e colocá-lo no orifício da garrafa, de modo que  fiquem 5 cm dentro da garrafa; colocar fogo na extremidade exterior desse tubo de papel.

Enquanto o papel queima, observa-se que:

1. no exterior da garrafa, a chama e a fumaça sobem 
2. no seu interior,  uma fumaça branca desce, formando uma “cascata de fumaça”.

          Os conceitos que fundamentam a convecção, que constitui o assunto deste folhetim, ajudam a entender o fenômeno da cascata. A fumaça branca é constituída de partículas resultantes da combustão incompleta do papel. Delas fazem parte, inclusive, vapor d’água  que se condensou durante a troca de calor com o canudo de papel. A fumaça branca, até atingir o lado interno da garrafa, troca de calor com o papel e diminui sua temperatura. Isto provoca um aumento em sua densidade (ela fica mais “pesada”). Sob ação do campo gravitacional, a fumaça mais densa acumula-se na parte inferior da garrafa.

FONTES:

http://www.rc.unesp.br/showdefisica/experimentos/caixaconveccao/caixaconveccao.htm