Abajur de Convecção

Informações ao professor

Este experimento, além do caráter lúdico que envolve, é especialmente rico em possibilidades de abordagem.
A interpretação do fenômeno da convecção pode ser dada em termos de grandezas macroscópicas (temperatura, pressão, densidade) ou entes físicos microscópicos (moléculas que constituem o gás e suas velocidades).
Para interpretar o movimento do abajur não são suficientes as considerações sobre a termodinâmica dos gases, já que o cilindro gira obedecendo leis da mecânica. Conseqüentemente, surge a necessidade de discutir conceitos de transferência de momento e energia, ainda que o fenômeno da conveção seja o conceito principal a ser explorado no experimento.
Imaginemos o movimento das moléculas de uma amostra de ar no interior do cilindro. Elas movem-se em todas as direções com uma certa velocidade média, sofrendo colisões com as paredes do cilindro e também entre si. De acordo com a teoria cinética dos gases, para uma dada temperatura T, as moléculas de qualquer gás têm a mesma energia cinética média de translação. Portanto, a temperatura de um gás é simplesmente uma medida da velocidade das moléculas que o constituem (a rigor, da velocidade média quadrática de todas essas moléculas).
Ao aquecer o ar dentro do cilindro, estamos provocando um aumento na velocidade das moléculas que estão próximas à chama. Uma vez que tenham adquirido maior velocidade, estas moléculas podem afastar-se umas das outras mais depressa, provocando uma (relativamente) rápida expansão e conseqüente diminuição da densidade. O ar que entra pela parte inferior está frio e portanto mais denso. Esta diferença de densidades implica no aparecimento de uma força de empuxo que provoca a ascensão do ar aquecido. O ar frio, ocupando o lugar do ar quente que subiu, é também aquecido e sobe. Essa circulação do ar devido ao contato com um objeto de maior temperatura constitui uma forma de transferência de calor a qual chamamos convecção.
Quando atingem a parte superior do abajur, as moléculas, saindo pelas aberturas, colidem com as aletas, transferindo parte do seu momento linear para ele. Existem moléculas colidindo nas duas faces de cada aleta; na face onde batem as moléculas que estão saindo do abajur, porém, a transferência de momento é maior, já que estas possuem maior velocidade. Esta variação do momento das aletas produz o efeito de uma força, que por sua vez induz um torque sobre o disco, fazendo o cilindro girar.