O calor viaja de forma diferente em espaços apertados? Novos insights sobre calor de convecção e mecânica de fluidos

Uma busca por “receita de air fryer” na maioria das plataformas de mídia social provavelmente retorna uma enxurrada de vídeos de comida promovendo ideias de refeições rápidas e fáceis. O mercado promove esses dispositivos como uma maneira conveniente, limpa e rápida de aquecer e deixar os alimentos crocantes, o que oferece uma opção tipicamente mais saudável ao uso de fritadeiras convencionais.

A tecnologia que alimenta essas modernas máquinas de refeições, no entanto, não é totalmente nova. Ela se baseia em um princípio simples de aquecimento encontrado em sistemas naturais e tem sido usado em fornos por décadas: calor de convecção.

Hugo Ulloa, cientista de dinâmica de fluidos da Universidade da Pensilvânia, observa que a convecção é impulsionada por gradientes de temperatura, criando diferenças de densidade em um sistema.

“Imagine uma panela de água sendo aquecida por baixo; o fundo se torna mais quente e menos denso, iniciando um movimento por todo o corpo d’água. Esse processo ocorre não apenas em nossas cozinhas, mas também em diversos ambientes, como o manto da Terra, oceanos e até mesmo nossa pele”, diz Ulloa.

“Embora a convecção seja um fenômeno bem compreendido em espaços abertos como a atmosfera ou os oceanos, o comportamento do calor em espaços superconfinados permanece um mistério porque ele sofre mudanças significativas tanto na estrutura do fluxo quanto na eficiência”, diz ele.

Agora, Ulloa, com Daisuke Noto, pesquisador de pós-doutorado na Escola de Artes e Ciências, e Juvenal A. Letelier da Universidade do Chile, publicou um artigo no Anais da Academia Nacional de Ciências explorando a convecção em sua menor escala. Os pesquisadores investigaram como os fluidos se comportam e como o calor é transferido em ambientes superconfinados, revelando insights fundamentais sobre as regras que governam a mecânica dos fluidos.

“Daisuke descobriu que a eficiência da transferência de calor pode ser aumentada ou prejudicada dependendo do grau de confinamento e das condições específicas de fluxo do fluido”, diz Ulloa.

“Essas descobertas não apenas abordam problemas de longa data em nossa área, mas também podem abrir caminho para uma coleta de energia geotérmica mais eficiente, dispositivos biomédicos que precisam de controles de calor precisos para misturar compostos ou em sistemas de resfriamento de computadores, que estão se tornando cada vez mais potentes e, como resultado, consomem muita energia e dissipam cada vez mais calor.”

Para explorar a convecção nessas novas escalas, Noto e Ulloa conceituaram e projetaram uma série de experimentos usando um dispositivo conhecido como célula de Hele-Shaw, que consiste em duas placas paralelas alinhadas verticalmente com uma estreita abertura entre elas, cujo fluido interno é aquecido de baixo para cima e resfriado de cima para baixo. Os tamanhos das aberturas variaram de 2 mm a 4 mm, e os gradientes de temperatura variaram de 1 °C a 30 °C. Ao manipular o gradiente de temperatura e o tamanho da abertura, os cientistas conseguiram observar como o calor e o movimento do fluido mudam conforme o nível de confinamento aumenta.

“O que descobrimos é fascinante”, diz Noto. “À medida que comprimimos o sistema, vemos o surgimento de plumas térmicas — pequenas estruturas semelhantes a cogumelos que se desprendem dos limites da base e são fundamentais para a convecção — que podem ser confinadas pelas paredes laterais.”

Este estudo se baseia no trabalho anterior dos membros da equipe, onde eles visualizaram e quantificaram com sucesso estruturas de fluxo em ambientes menos confinados. “Nossos experimentos anteriores forneceram a primeira quantificação experimental sólida dessas estruturas de fluxo, mas em ambientes mais abertos”, diz Ulloa. “Esses experimentos fundamentais nos permitiram desenvolver as metodologias e modelos teóricos que agora aplicamos a esses sistemas mais confinados.”

Ao explicar a pesquisa atual, ele diz que as plumas, dependendo do seu tamanho em relação à lacuna, podem crescer livremente de maneira tridimensional ou ser restringidas a um fluxo bidimensional.

“Essa foi uma longa discussão, e Daisuke veio com a brilhante formulação final”, diz Ulloa. “Essa transição entre fluxo tridimensional e bidimensional afeta dramaticamente como o calor é transferido. Conforme o tamanho da lacuna diminuiu, plumas térmicas foram comprimidas, resultando em fluxos bidimensionais que utilizam a energia disponível na transferência de calor de forma eficiente.

“No entanto, quando a lacuna era maior do que o tamanho natural das plumas, elas cresciam livremente de forma tridimensional, resultando em transferência de calor maior, mas menos eficiente. Essa mudança resulta de estruturas vorticais minúsculas e localizadas criadas pelas plumas nas fronteiras. O que é fascinante é que essa pequena estrutura tridimensional vivendo nas fronteiras leva a grandes mudanças em como o calor é transferido. Observamos isso experimentalmente e fornecemos uma teoria para essa condição.”

Essa percepção permitiu que a equipe desenvolvesse uma nova métrica, o grau de confinamento Λ (lambda), que quantifica a extensão do confinamento e seus efeitos na dinâmica de fluidos e na transferência de calor.

“Esta pesquisa preenche uma lacuna significativa em nosso conhecimento”, diz Ulloa. “Agora temos uma melhor compreensão de como a transferência de calor se comporta em ambientes que não são totalmente tridimensionais nem totalmente confinados como meios porosos. Esse entendimento é crucial para uma gama de aplicações, desde a extração de energia geotérmica até o design de tecnologias mais sustentáveis.”

Olhando para o futuro, Ulloa e sua equipe estão planejando seu próximo estudo, que se baseia nos insights obtidos com a convecção nessa nova escala, pois estão se concentrando em como os processos convectivos em sistemas confinados influenciam a mistura de propriedades físicas, como calor e outras substâncias dentro do fluido, como minerais, nutrientes ou gases como oxigênio e metano.

“O próximo passo é entender não apenas como o calor se move, mas como outras partículas e compostos são transportados e misturados nesses ambientes confinados”, diz Ulloa.

A nova pesquisa tem como objetivo explorar como a mistura de substâncias dissolvidas ou suspensas ocorre sob diferentes graus de confinamento e como esses processos impactam aplicações ambientais e de engenharia.

“Isso é particularmente importante para entender a distribuição de nutrientes essenciais em ambientes hidrotermais ou a eficiência do calor em processos industriais”, diz Ulloa.