Il trasferimento di calore convettivo, spesso indicato semplicemente come convezione, è il trasferimento di calore da un luogo a un altro mediante il movimento di fluidi. La convezione è solitamente la forma dominante di trasferimento di calore nei liquidi e nei gas.
La convezione si verifica quando le aree più calde di un liquido o di un gas salgono verso aree più fredde del liquido o del gas. Il liquido o il gas più freddo prende quindi il posto delle aree più calde che sono salite più in alto. Ciò si traduce in un modello di circolazione continua.
La convezione è un processo di trasferimento del calore. Quando vengono prodotte correnti, la materia viene spostata da un luogo all'altro. Quindi, anche questo è un processo di trasferimento di massa.
La convezione è il flusso di calore attraverso un grosso movimento macroscopico di materia da una regione calda a una regione fredda, in contrasto con il trasferimento microscopico di calore tra gli atomi coinvolti nella conduzione.
Supponiamo di considerare di riscaldare una regione locale dell'aria. Man mano che quest'aria si riscalda, le molecole si espandono, facendo sì che questa regione diventi meno densa dell'aria circostante non riscaldata. Essendo meno densa dell'aria più fredda circostante, l'aria calda successivamente salirà a causa delle forze di galleggiamento: si dice quindi che questo movimento di aria calda in una regione più fredda trasferisca il calore per convezione.
L'acqua che bolle in una pentola è un buon esempio del trasferimento di calore per convezione. Quando la stufa viene accesa per la prima volta, il calore viene prima trasferito per conduzione tra gli elementi attraverso il fondo della pentola all'acqua. Tuttavia, alla fine, l'acqua inizia a gorgogliare, queste bolle sono in realtà regioni locali di acqua calda che salgono in superficie, trasferendo così il calore dall'acqua calda in basso all'acqua più fredda in alto per convezione. Allo stesso tempo, l'acqua più fredda e densa in alto affonderà sul fondo, dove verrà successivamente riscaldata.
Un altro buon esempio di convezione è nell'atmosfera. La superficie terrestre viene riscaldata dal sole, l'aria calda sale e l'aria fresca entra.
La convezione che si verifica naturalmente è chiamata convezione naturale o convezione libera. Se un fluido viene fatto circolare mediante un ventilatore o una pompa, si parla di convezione forzata. La cella formata dalle correnti di convezione è chiamata cella di convezione o cella di Benard .
Un altro importante esempio di correnti di convezione è la creazione di brezze su masse di terra accanto a grandi specchi d'acqua. L'acqua ha una capacità termica maggiore rispetto alla terra e quindi trattiene meglio il calore. Pertanto, ci vuole più tempo per cambiare la sua temperatura, verso l'alto o verso il basso. Pertanto, durante il giorno l'aria sopra l'acqua sarà più fresca di quella sulla terraferma. Questo crea un'area di bassa pressione sulla terraferma, relativa all'area di alta pressione sull'acqua, e successivamente si trovano brezze che soffiano dall'acqua alla terraferma. D'altra parte, durante la notte l'acqua si raffredda più lentamente della terraferma, e l'aria sopra l'acqua è leggermente più calda che sulla terraferma. Questo crea un'area di bassa pressione sull'acqua rispetto all'area di alta pressione sulla terraferma e le brezze soffieranno dalla terraferma all'acqua.
Tipi di convezione termica
La convezione del calore è di tre tipi: naturale, forzata e mista.
- Convezione forzata - In un caso, il calore può essere trasportato passivamente dal movimento del fluido, che si verificherebbe anche senza il processo di riscaldamento, un processo di trasferimento del calore definito genericamente come convezione forzata.
- Convezione naturale - Nell'altro caso, il riscaldamento stesso può far muovere il fluido tramite forze di espansione e galleggiamento, provocando contemporaneamente il trasporto del calore da parte di questo movimento - un processo vagamente noto come convezione naturale o convezione libera.
- La convezione mista (combinata) è una combinazione di convezione forzata e libera che è il caso generale di convezione quando un flusso è determinato simultaneamente sia da un sistema di forzatura esterno (cioè, fornitura di energia esterna al sistema del corpo aerodinamico) che volumetrico interno ( massa) forze, vale a dire, dalla distribuzione di densità non uniforme di un mezzo fluido in un campo gravitazionale.
Alcuni esempi quotidiani di convezione naturale
- Acqua bollente - Anche l'acqua bollente in una ciotola funziona secondo il principio della convezione. Quando l'acqua inizia a riscaldarsi, le molecole d'acqua si espandono e si muovono nella pentola. Pertanto, il calore viene trasferito ad altre parti della pentola e l'acqua fredda inizia a scendere mentre l'acqua calda sale.
- Un semplice esempio di correnti di convezione è l'aria calda che sale verso il soffitto o la soffitta di una casa. L'aria calda è meno densa dell'aria fredda, quindi sale.
- Il vento è un esempio di corrente di convezione. La luce solare o la luce riflessa irradiano calore, creando una differenza di temperatura che fa muovere l'aria. Le aree ombreggiate o umide sono più fresche o in grado di assorbire il calore, aumentando l'effetto. Le correnti di convezione fanno parte di ciò che guida la circolazione globale dell'atmosfera terrestre.
- Tazza fumante di bevanda calda - Potresti aver osservato il vapore uscire da una tazza di tè o caffè caldo. A causa del calore del fluido, l'aria calda sale verso l'alto. Quest'aria calda è vapore.
- Scioglimento del ghiaccio – Il calore si sposta verso il ghiaccio dall'aria. Ciò provoca la fusione da solido a liquido.
- Mongolfiera - Un riscaldatore all'interno del pallone riscalda l'aria e quindi l'aria si sposta verso l'alto. Questo fa alzare il pallone perché l'aria calda rimane intrappolata all'interno. Quando il pilota vuole scendere, rilascia parte dell'aria calda e l'aria fresca prende il suo posto, provocando l'abbassamento del pallone.
- Scongelamento del materiale congelato – Il cibo congelato si scongela più rapidamente sotto l'acqua corrente fredda rispetto a quando viene immerso nell'acqua. L'azione dell'acqua corrente trasferisce più velocemente il calore al cibo.
- Temporale - L'acqua calda degli oceani sale nell'aria e si trasforma in gocce d'acqua satura che formano nuvole. Quando questo processo continua, le nuvole più piccole entrano in collisione tra loro e si formano nuvole più grandi. Al raggiungimento della fase finale di crescita, si formano cumulonembi o temporali.
Convezione in meteorologia e geologia
- Convezione del mantello – Il mantello roccioso della Terra si muove lentamente a causa delle correnti di convezione che trasferiscono il calore dall'interno della Terra fino alla superficie. Questo è il motivo per cui le placche tettoniche si muovono gradualmente intorno alla Terra. Il materiale caldo viene aggiunto ai bordi di crescita di un piatto e poi si raffredda. Ai margini del consumo, il materiale diventa denso contraendosi a causa del calore e sprofonda nella Terra in una fossa oceanica. Questo innesca la formazione di vulcani.
- Circolazione oceanica - L'acqua calda attorno all'equatore circola verso i poli e l'acqua più fredda ai poli si sposta verso l'equatore.
- L'effetto camino o camino - Questo è il movimento dell'aria dentro e fuori da edifici, canne fumarie o altri oggetti a causa della galleggiabilità. In questo caso, la galleggiabilità si riferisce alle diverse densità nell'aria tra l'aria all'interno e l'aria all'esterno. La forza di galleggiamento aumenta a causa della maggiore altezza della struttura e di una maggiore differenza tra il livello di calore dell'aria interna ed esterna.
- Convezione di una stella - Una stella ha una zona di convezione in cui l'energia viene spostata per convezione. Fuori dal nucleo c'è una zona di radiazione in cui si muove il plasma. Una corrente di convezione si forma quando il plasma sale e il plasma raffreddato scende.
- Convezione gravitazionale - Questo mostra quando il sale secco si diffonde verso il basso nel terreno umido perché l'acqua dolce galleggia nell'acqua salata.
- Le correnti di convezione sono evidenti nel sole . I granuli visti nella fotosfera del sole sono le cime delle celle di convezione. Nel caso del sole e delle altre stelle, il fluido è plasma piuttosto che un liquido o un gas.
Convezione forzata
È qui che viene utilizzato un dispositivo esterno come un ventilatore, una pompa o un dispositivo di aspirazione per facilitare la convezione.
Ecco alcuni esempi di convezione forzata:
- Radiatore - Nel radiatore, l'elemento riscaldante è posizionato nella parte inferiore della macchina. Pertanto, l'aria calda proveniente da questo elemento riscaldante viene sostituita da aria fredda.
- Frigorifero - L'unità congelatore è posizionata in alto. La ragione di ciò è che l'aria calda all'interno del frigorifero salirà, ma l'aria più fredda nella regione del congelatore affonderà e manterrà calda la parte inferiore del frigorifero.
- Condizionatore d'aria - L'unità di raffreddamento in un condizionatore d'aria è posizionata in alto. Pertanto, l'aria calda sale all'unità di raffreddamento, viene sostituita da aria fredda e la stanza viene raffreddata.
- Boccaglio ad aria calda - Ha una ventola, un elemento riscaldante e uno sfiato. Quando il pulsante è acceso, la ventola soffia aria sull'elemento riscaldante attraverso la presa d'aria. L'aria diventa calda e quindi sale. I chicchi di popcorn sono posizionati appena sopra l'elemento riscaldante. L'aria calda sale e i chicchi di popcorn vengono riscaldati. Ecco come otteniamo i nostri deliziosi popcorn.
- Forno a convezione – In un forno a convezione viene utilizzato il principio della convezione forzata. L'aria nel vano viene forzata a riscaldarsi mediante elementi riscaldanti. A causa di questo riscaldamento, le molecole d'aria si espandono e si muovono. Il cibo all'interno viene cotto a causa di questa aria calda.
- Motore raffreddato ad aria - I motori raffreddati ad aria sono raffreddati da correnti di convezione nei tubi dell'acqua. Il motore, acceso a lungo, si surriscalda. Il calore dissipato deve essere raffreddato per mantenere il motore in funzione. Il motore è coperto da una camicia d'acqua riscaldata. A causa di questo riscaldamento, l'acqua calda scorre attraverso i tubi che circondano il motore. Questi tubi hanno ventole grazie alle quali l'acqua calda viene raffreddata. Quest'acqua calda, per il principio della convezione, scende verso il basso, raffreddando così il motore.
