Convezione: cos'è e come funziona?

Il calore, al livello più elementare, è l'energia cinetica degli atomi e delle molecole. La convezione influisce su tutto, dal riscaldamento della tua casa, al processo di trasferimento del calore all'interno del sole.

Man mano che un solido, liquido o gas viene riscaldato, gli atomi o le molecole che lo compongono vibrano sempre di più; queste maggiori vibrazioni richiedono più volume per ogni atomo/molecola.

In un gas, questo non si esprime come "vibrazione" ma come un aumento della velocità delle particelle, e quindi un aumento della pressione sul contenitore del gas. Per questo motivo, la maggior parte dei materiali espandere mentre si scaldano. Ciò accade in misura maggiore nei gas, ma in misura minore anche nei liquidi e nei solidi.

Quando qualcosa si espande, diventa meno denso; ci sono meno particelle, e quindi meno massa, per unità di volume rispetto a prima. Ma nei liquidi e nei gas (fluidi), una regione di densità inferiore si alzerà e galleggerà sopra le regioni di densità più elevata a causa dell'influenza della gravità. Questi due concetti, che il calore provoca una diminuzione della densità e che i fluidi salgono e scendono in base alla densità, si combinano per creare il

La convezione è un metodo di trasferimento di energia termica in cui il trasferimento di calore avviene tramite movimento fluido. Questo movimento del fluido è causato dalla differenza di densità tra le regioni più calde delle regioni del fluido e quelle più fredde. Questi movimenti sono chiamati correnti di convezione, e il movimento convettivo del fluido continua finché c'è una differenza di temperatura tra le regioni.

Questa differenza di temperatura è particolarmente marcata quando c'è una fonte di calore su un lato del fluido, come un riscaldatore vicino al pavimento di una stanza. L'aria calda in basso si sposta continuamente verso l'alto, mentre l'aria più fredda si sposta verso il basso per essere riscaldata e poi successivamente si sposta anche verso l'alto. Il movimento dell'aria provoca correnti circolari che continueranno a meno che l'aria non raggiunga una temperatura di equilibrio; un bicchiere d'acqua a temperatura ambiente generalmente non avrà correnti convettive, mentre un bicchiere d'acqua con dentro ghiaccio avrà correnti convettive.

La convezione è spesso descritta come una combinazione di due processi fisici: avvezione e diffusione. Avvezione è il trasporto di materia per movimento di massa, come il movimento del limo del letto del fiume dal flusso del fiume. Diffusione è il trasporto di materia mediante il movimento delle particelle da un'area ad alta concentrazione a un'area a bassa concentrazione, come il movimento di particelle di colorante che si diffondono attraverso un bicchiere d'acqua.

Poiché la convezione sposta la materia più calda verso l'alto e la materia più fredda verso il basso, lo fa sia spostando la materia in massa (advezione) che in modo particolato (diffusione).

La convezione non può, per definizione, verificarsi nei solidi a causa dell'incapacità di creare un flusso di fluido nella materia solida (le particelle non possono muoversi l'una rispetto all'altra, ma possono solo vibrare sul posto). Il trasferimento di calore nei solidi avviene invece per conduzione, ovvero il trasferimento di energia vibrazionale da un atomo o molecola in un cristallo solido ai suoi vicini. Ci sono alcune eccezioni a questo nei solidi morbidi in cui le particelle possono muoversi l'una accanto all'altra.

Tenere presente la convezione può aiutarti a riscaldare o raffreddare la casa in modo più efficiente. Poiché l'aria calda tende a salire e l'aria fredda tende ad affondare, è utile posizionare i riscaldatori più vicino al pavimento e i condizionatori più in alto.

Ventilatori a soffitto di solito può funzionare in entrambe le direzioni: soffiando aria dall'alto o soffiando aria dal basso. Soffiare l'aria è di solito utile in estate in modo da sentire la brezza convettiva rinfrescare la pelle; tirare l'aria verso l'alto è utile in inverno perché aiuta a spingere l'aria calda dall'alto verso il basso e verso le pareti, senza soffiare direttamente su di te.

Quando l'acqua si raffredda, si contrae e diventa più densa come la maggior parte delle altre sostanze. Tuttavia, quando si raffredda a circa 4 gradi Celsius, in realtà inizia ad espandersi leggermente. L'acqua è abbastanza unica in quanto la sua forma solida, il ghiaccio, è meno densa della sua forma liquida. Quindi, sebbene generalmente diventi più denso man mano che si raffredda, a un certo punto questa tendenza si inverte e inizia ad espandersi fino al punto di congelamento a 0 gradi Celsius. Questo ha un effetto su come funziona la convezione in un lago ghiacciato.

Quando l'acqua in un lago si raffredda, sprofonda quando l'acqua più calda sale, ma solo finché l'intero lago non raggiunge i 4 gradi Celsius. A questo punto la convezione si inverte: l'acqua più fredda di 4 gradi Celsius è meno densa di l'acqua più calda, il che significa che la parte superiore del lago diventa più fredda del fondo e del ghiaccio forme. Questo è il motivo per cui i laghi si congelano prima sopra.

Il Sole (così come la maggior parte delle stelle) subisce convezione interna con plasma più caldo e plasma più freddo. All'interno della zona di convezione del Sole, che si estende verso l'interno dalla sua superficie esterna, l'energia termica viene trasportata dall'interno solare caldo alle regioni esterne più fredde tramite correnti di convezione.

Questo crea"celle di convezione," che sono le macchie scure e chiare che puoi vedere sulla superficie del Sole. I punti luce sono celle convettive di plasma caldo appena sorto dall'interno; le macchie scure sono di celle di convezione di plasma che si sono raffreddate e presto ricadranno attraverso la zona di convezione.

Questi punti scuri e chiari sono talvolta chiamati anche granuli solari. Hanno un diametro medio di circa 1.000 km (circa la lunghezza dello stato della California) e rimangono in superficie solo per circa 8-20 minuti. In qualsiasi momento, la superficie del Sole contiene circa quattro milioni di granuli!

La convezione è estremamente importante in meteorologia o nello studio del tempo. Il flusso di aria calda e fredda attraverso l'atmosfera è ciò che crea diverse forme di nuvole, nonché temporali, tornado e fronti meteorologici.

Alcuni forni possono cuocere per convezione. I forni a convezione utilizzano ventole e un sistema di scarico che fanno circolare l'aria all'interno del forno durante la cottura, soffiando aria calda direttamente sul cibo. Questo permette al cibo di cuocere più velocemente e in modo più uniforme di quanto farebbe se fosse semplicemente posizionato vicino alle resistenze del forno. Inoltre, rende l'interno del forno più asciutto e meno umido, il che può essere migliore per rosolare il cibo.

Il campo magnetico terrestre è causato da correnti convettive nel suo nucleo esterno. Al centro della Terra c'è un nucleo interno solido, circondato da un nucleo esterno liquido composto principalmente da ferro e nichel. Entrambi questi metalli sono buoni conduttori di elettricità. Le correnti di convezione in questo strato liquido creano correnti elettriche all'interno del metallo liquido, che creano campi magnetici; la somma di questi campi magnetici è il campo magnetico terrestre, che punta tutte le bussole verso il Polo Nord e protegge la Terra dalle radiazioni cosmiche.