La transferencia de calor por convección a menudo denominada simplemente convección, es la transferencia de calor de un lugar a otro por el movimiento de fluidos. La convección suele ser la forma dominante de transferencia de calor en líquidos y gases.
La convección ocurre cuando las áreas más cálidas de un líquido o gas se elevan a áreas más frías en el líquido o el gas. El líquido o el gas más frío reemplazan las áreas más cálidas que se han elevado más. Esto da como resultado un patrón de circulación continuo.
La convección es un proceso de transferencia de calor. Cuando se producen corrientes, la materia se traslada de un lugar a otro. Entonces, este también es un proceso de transferencia masiva.
La convección es el flujo de calor a través de un movimiento macroscópico masivo de materia desde una región caliente a una región fría, en oposición a la transferencia microscópica de calor entre átomos involucrados en la conducción.
Suponga que consideramos calentar una región local del aire. A medida que este aire se calienta, las moléculas se esparcen, haciendo que esta región se vuelva menos densa que el aire circundante sin calentar. Al ser menos denso que el aire más frío circundante, el aire caliente se elevará posteriormente debido a las fuerzas de flotación; se dice que este movimiento de aire caliente hacia una región más fría transfiere calor por convección.
El agua hirviendo en una olla es un buen ejemplo de transferencia de calor por convección. Cuando la estufa se enciende por primera vez, el calor se transfiere primero por conducción entre los elementos a través del fondo de la olla al agua. Sin embargo, eventualmente, el agua comienza a burbujear, estas burbujas son en realidad regiones locales de agua caliente que ascienden a la superficie, transfiriendo así calor del agua caliente en la parte inferior al agua más fría en la parte superior por convección. Al mismo tiempo, el agua más fría y densa en la parte superior se hundirá hasta el fondo, donde posteriormente se calienta.
Otro buen ejemplo de convección está en la atmósfera. La superficie de la tierra se calienta con el sol, el aire cálido se eleva y el aire frío entra.
La convección que ocurre naturalmente se llama convección natural o convección libre. Si se hace circular un fluido mediante un ventilador o una bomba, se denomina convección forzada. La celda formada por corrientes de convección se llama celda de convección o celda de Benard .
Otro ejemplo importante de corrientes de convección es la creación de brisas sobre masas de tierra próximas a grandes masas de agua. El agua tiene una mayor capacidad calorífica que la tierra y, por lo tanto, retiene mejor el calor. Por lo tanto, se necesita más tiempo para cambiar su temperatura, ya sea hacia arriba o hacia abajo. Por lo tanto, durante el día, el aire sobre el agua será más frío que sobre la tierra. Esto crea un área de baja presión sobre la tierra, en relación con el área de alta presión sobre el agua, y posteriormente uno encuentra brisas que soplan desde el agua hacia la tierra. Por otro lado, durante la noche el agua se enfría más lentamente que la tierra y el aire sobre el agua es un poco más cálido que sobre la tierra. Esto crea un área de baja presión sobre el agua en relación con el área de alta presión sobre la tierra, y la brisa soplará de la tierra al agua.
Tipos de convección de calor
La convección de calor es de tres tipos: natural, forzada y mixta.
- Convección forzada : en un caso, el calor puede ser transportado pasivamente por el movimiento del fluido, lo que ocurriría incluso sin el proceso de calentamiento, un proceso de transferencia de calor que se denomina, en términos generales, convección forzada.
- Convección natural : en el otro caso, el calentamiento en sí puede hacer que el fluido se mueva a través de las fuerzas de expansión y flotabilidad, mientras que simultáneamente hace que el calor sea transportado por este movimiento, un proceso conocido libremente como convección natural o convección libre.
- La convección mixta (combinada) es una combinación de convección forzada y libre, que es el caso general de la convección cuando un flujo se determina simultáneamente tanto por un sistema de forzamiento externo (es decir, el suministro de energía externo al sistema corporal aerodinámico) como por un sistema volumétrico interno ( masa), es decir, por la distribución de densidad no uniforme de un medio fluido en un campo de gravedad.
Algunos ejemplos cotidianos de convección natural.
- Agua hirviendo: el agua hirviendo en un recipiente también funciona según el principio de convección. Cuando el agua comienza a calentarse, las moléculas de agua se expanden y se mueven en la olla. Por lo tanto, el calor se transfiere a otras partes de la olla y el agua fría comienza a hundirse mientras que el agua tibia sube.
- Un ejemplo simple de corrientes de convección es el aire caliente que se eleva hacia el techo o el ático de una casa. El aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo que sube.
- El viento es un ejemplo de corriente de convección. La luz del sol o la luz reflejada irradian calor, creando una diferencia de temperatura que hace que el aire se mueva. Las áreas sombreadas o húmedas son más frías o pueden absorber el calor, lo que aumenta el efecto. Las corrientes de convección son parte de lo que impulsa la circulación global de la atmósfera terrestre.
- Taza humeante de bebida caliente : es posible que haya observado vapor saliendo de una taza de té o café caliente. Debido al calor del fluido, el aire caliente se eleva. Este aire caliente es vapor.
- Derretimiento del hielo : el calor se mueve hacia el hielo desde el aire. Esto provoca la fusión de un sólido a un líquido.
- Globo de aire caliente : un calentador dentro del globo calienta el aire y, por lo tanto, el aire se mueve hacia arriba. Esto hace que el globo se eleve porque el aire caliente queda atrapado en su interior. Cuando el piloto quiere descender, libera algo de aire caliente y el aire frío ocupa su lugar, lo que hace que el globo baje.
- Descongelación del material congelado: los alimentos congelados se descongelan más rápidamente con agua corriente fría que si se colocan en agua. La acción del agua corriente transfiere el calor a los alimentos más rápidamente.
- Tormenta eléctrica : el agua tibia de los océanos se eleva en el aire y se convierte en gotas de agua saturadas que forman nubes. Cuando este proceso continúa, las nubes más pequeñas chocan entre sí y se forman nubes más grandes. Al llegar a la etapa final de crecimiento, se forman nubes cumulonimbus o tormentas eléctricas.
Convección en meteorología y geología
- Convección del manto : el manto rocoso de la Tierra se mueve lentamente debido a las corrientes de convección que transfieren el calor desde el interior de la Tierra hasta la superficie. Esta es la razón por la que las placas tectónicas se mueven gradualmente alrededor de la Tierra. Se agrega material caliente en los bordes de crecimiento de una placa y luego se enfría. En los bordes de consumo, el material se vuelve denso al contraerse por el calor y se hunde en la Tierra en una fosa oceánica. Esto desencadena la formación de volcanes.
- Circulación oceánica : el agua caliente alrededor del ecuador circula hacia los polos y el agua más fría en los polos se mueve hacia el ecuador.
- El efecto de chimenea o chimenea : este es el movimiento del aire dentro y fuera de edificios, conductos de humos u otros objetos debido a la flotabilidad. En este caso, la flotabilidad se refiere a las diferentes densidades del aire entre el aire del interior y el aire del exterior. La fuerza de flotabilidad aumenta debido a la mayor altura de la estructura y una mayor diferencia entre el nivel de calor del aire interior y exterior.
- Convección de una estrella : una estrella tiene una zona de convección donde la energía se mueve por convección. Fuera del núcleo hay una zona de radiación donde se mueve el plasma. Se forma una corriente de convección cuando el plasma se eleva y el plasma enfriado desciende.
- Convección gravitacional : muestra cuando la sal seca se difunde hacia abajo en el suelo húmedo porque el agua dulce flota en el agua salada.
- Las corrientes de convección son evidentes al sol . Los gránulos que se ven en la fotosfera del sol son la parte superior de las células de convección. En el caso del sol y otras estrellas, el fluido es plasma en lugar de líquido o gas.
Convección forzada
Aquí es donde se utiliza un dispositivo externo como un ventilador, una bomba o un dispositivo de succión para facilitar la convección.
A continuación, se muestran algunos ejemplos de convección forzada:
- Radiador : en el radiador, el elemento calefactor se coloca en la parte inferior de la máquina. Por lo tanto, el aire caliente de este elemento calefactor es reemplazado por aire frío.
- Refrigerador : la unidad del congelador se coloca en la parte superior. La razón detrás de esto es que el aire caliente dentro del refrigerador se elevará, pero el aire más frío en la región del congelador se hundirá y mantendrá caliente la parte inferior del refrigerador.
- Aire acondicionado : la unidad de refrigeración de un aire acondicionado se coloca en la parte superior. Por lo tanto, el aire caliente sube a la unidad de enfriamiento, es reemplazado por aire frío y la habitación se enfría.
- Popper de aire caliente : tiene un ventilador, un elemento calefactor y un respiradero. Cuando el popper está encendido, el ventilador sopla aire en el elemento calefactor a través del respiradero. El aire se calienta y asciende. Los granos de palomitas de maíz se colocan justo encima del elemento calefactor. El aire caliente sube y los granos de palomitas de maíz se calientan. Así es como obtenemos nuestras deliciosas palomitas de maíz.
- Horno de convección : en un horno de convección, se utiliza el principio de convección forzada. El aire del compartimento se fuerza a calentar mediante el uso de elementos calefactores. Debido a este calentamiento, las moléculas de aire se expanden y se mueven. La comida del interior se cocina gracias a este aire caliente.
- Motor refrigerado por aire: los motores refrigerados por aire se enfrían mediante corrientes de convección en sus tuberías de agua. El motor, al funcionar durante mucho tiempo, se calienta. El calor que se disipa debe enfriarse para mantener el motor en funcionamiento. El motor está cubierto por una camisa de agua que se calienta. Debido a este calentamiento, el agua caliente fluye a través de las tuberías que rodean el motor. Estas tuberías tienen ventiladores debido a los cuales se enfría el agua caliente. Esta agua caliente, por el principio de convección, se hunde, enfriando así el motor.
