E12 Convecção de calor

Tópico

A circulação de um fluido, seja água ou ar, ao redor do alimento faz da convecção térmica o principal mecanismo de transferência de calor para a sua superfície. Durante o cozimento, essa convecção térmica ocorre tanto pela água fervente que envolve o alimento — uma convecção natural induzida pelos gradientes de densidade gerados pelo aquecimento da própria água — quanto pelo ar circulante em um forno de convecção — uma convecção forçada impulsionada por um ventilador externo ao fluido. A maior intensidade desse fluido circundante torna a convecção térmica mais eficiente na transferência de calor para a superfície do alimento.

A Lei de Newton quantifica o fluxo de calor que essa convecção transfere para a superfície do alimento por meio de um coeficiente convectivo. Esse coeficiente depende fortemente tanto das propriedades do fluido circundante quanto do regime de fluxo. A água, com sua alta condutividade térmica e um número de Prandtl característico de aproximadamente sete, atinge valores de coeficiente convectivo muito maiores do que o ar. Essa diferença entre os dois coeficientes convectivos explica por que cozinhar alimentos em água é significativamente mais rápido do que cozinhá-los em um forno de convecção. O fato de o fluido circundante ser água, em vez de ar, resulta em um coeficiente de convecção muito maior e, consequentemente, a transferência de calor para a superfície do alimento é muito mais rápida devido à convecção.

Portanto, este modelo, com a convecção de calor e o coeficiente de convecção com os quais foi inicialmente projetado, calcula o mesmo coeficiente de convecção para a geometria e o fluido culinário de interesse usando um conjunto de números adimensionais: o número de Nusselt, o número de Grashof, o número de Reynolds e o número de Prandtl. Esses números capturam universalmente a física do movimento do fluido e da transferência de calor por meio de correlações empíricas que relacionam o número de Nusselt ao número de Reynolds e ao número de Prandtl na convecção forçada, ou ao número de Grashof e ao número de Prandtl na convecção natural. Na convecção natural, como em uma panela de água quente, a diferença de densidade causada pela diferença de temperatura entre o fluido e a superfície do alimento impulsiona o fluxo do fluido. Na convecção forçada, como em um forno com ventilador ou um maçarico, a velocidade do fluido é a força motriz. O fluido externo determina esse coeficiente de convecção. Se esse fluido, seja natural ou forçado, for agitado mais intensamente ao redor do alimento, o coeficiente de convecção será consequentemente maior, e o alimento cozinhará mais rápido e de maneira mais uniforme antes que o calor fornecido por essa convecção à superfície do alimento se espalhe para o interior, de acordo com a condução de calor descrita em mais detalhes por outro modelo desse sistema.

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