¿Qué sucede cuando dejas un tazón de sopa caliente en una mesa? Se enfría después de algún tiempo debido a la pérdida de calor en el aire circundante. Y eso es (transferencia de calor) lo que llamamos convección.
Hay tres tipos de transferencia de calor: radiación, conducción y convección. En la radiación, el calor se transfiere en forma de ondas electromagnéticas. En la conducción, el calor viaja entre cuerpos que están físicamente conectados.,
la convección, sin embargo, es la forma más compleja de transferencia de calor porque implica el movimiento masivo de moléculas dentro de fluidos como líquidos y gases. En términos simples, la convección solo puede ocurrir en líquidos y gases.
la transferencia convectiva de calor y masa (en fluidos) tiene lugar a través de dos mecanismos:
- difusión: el movimiento neto de moléculas de una región de mayor concentración a una región de menor concentración.
- advección: transporte de materia o calor por el movimiento masivo de corrientes en el fluido.,
ninguno de los procesos tiene lugar en sólidos rígidos. Sin embargo, la transferencia de calor convectiva puede ocurrir en sólidos blandos o mezclas donde las partículas sólidas pueden viajar de una posición a otra.
la transferencia de calor convectiva se puede dividir en dos categorías: natural y forzada.
en convección libre o natural, las corrientes se producen solo por diferencias de densidad derivadas de la temperatura en el fluido. Mientras que, en la convección forzada, las corrientes se deben a un factor externo, como un ventilador o una bomba. Cuanto más rápido se mueva el fluido, más rápida será la velocidad de convección.,
ahora que tiene una idea general de lo que es la convección en realidad, pasemos a los diversos ejemplos y aplicaciones. A continuación, hemos enumerado muchos ejemplos de transferencia de calor convectiva que puede ver en su vida cotidiana.
Agua Hirviendo
Tipo: Convección Forzada
Cuando usted pone la tetera en la estufa, calienta el agua de la parte inferior. Las moléculas cercanas al fondo ganan energía cinética y se vuelven menos densas., Dado que el agua caliente en el fondo es menos densa que el agua fría por encima de ella, el agua caliente comienza a subir a la superficie mientras que el agua fría se hunde.
el agua fría en la parte inferior entonces consigue caliente y menos denso que el agua sobre ella, así que sube a la superficie. El proceso se repite una y otra vez, y todo sucede debido a la diferencia de temperatura entre la parte inferior y la parte superior de la caldera. Los movimientos de las moléculas de agua son corrientes de convección.,
disipador de calor
Tipo: convección forzada
el disipador de calor es un intercambiador de calor pasivo que mejora la tasa de transferencia de calor convectiva. Es ampliamente utilizado en equipos electrónicos. Por ejemplo, una CPU/GPU convencional utiliza un disipador de calor junto con un ventilador para mantener la temperatura de funcionamiento dentro de límites tolerables.
generalmente, un disipador de calor consiste en una base y aletas que se extienden hacia el exterior. Su rendimiento se ve afectado por varios factores, como la velocidad del aire, el diseño de la aleta y el material utilizado para construir el disipador de calor.,
brisa de tierra y Mar
crédito de la imagen: Freepik
Tipo: convección Natural
la formación de brisa de tierra y mar es uno de los ejemplos clásicos de convección. El Sol calienta la superficie terrestre y Marina durante el día. Pero como la Tierra tiene menos capacidad de absorción de calor que el mar, su temperatura superficial aumenta, calentando el aire a su alrededor. El aire caliente (menos denso) comienza a elevarse, y se crea una presión baja.
al mismo tiempo, se desarrolla un área de alta presión (con aire frío y denso) sobre la parte superior del mar., Debido a la diferencia de presión, el aire fluye del mar a la tierra, y el aire frío que viene se llama brisa marina.
El proceso se invierte durante la noche. La tierra se enfría más rápido que el mar, disminuyendo la temperatura del aire a su alrededor y creando una situación de alta presión. Ahora el aire frío fluye de la tierra al mar, y esto es lo que llamamos la brisa terrestre.
en ambos casos, el calor se transfiere a través de moléculas de aire.,
efecto chimenea
Tipo: convección forzada
Cuando el aire entra y sale de los edificios, chimeneas u otras estructuras similares, debido a la flotabilidad, se llama efecto chimenea. Sucede debido a las diferencias de temperatura/humedad en interiores y exteriores. El aire frío de alta densidad siempre empuja hacia arriba los gases calientes de baja densidad.
cuanto más alta sea la estructura y mayor sea la diferencia térmica, mayor será la fuerza de flotabilidad y, por lo tanto, el efecto de chimenea., Muchos rascacielos y torres de enfriamiento utilizan el mismo principio para lograr ventilación e infiltración naturales.
horno de convección
un horno de convección industrial utilizado en la industria de fabricación de aviones
Tipo: convección forzada
Los hornos de convección utilizan un mecanismo de convección para cocinar alimentos más rápido que los hornos convencionales. Tienen ventiladores para hacer circular aire caliente alrededor de los alimentos, lo que permite que los alimentos se cocinen de manera más uniforme a temperaturas más bajas y en menos tiempo., Los hornos industriales de convección se utilizan para fabricar muchos productos, incluidos artículos no alimentarios.
fusión de hielo
Tipo: convección Natural
la convección juega un papel importante en el proceso de reducción del espesor del hielo. A medida que el aire caliente sopla sobre la superficie del hielo, aumenta la temperatura de la capa externa del hielo. Cuanto más caliente sea el aire y más rápido sople, menos tiempo tardará el hielo en derretirse.,
Radiador
Tipo: Convección Forzada
Un Radiador transfiere la energía térmica de un medio a otro. A pesar del nombre, la mayoría de los radiadores utilizan la convección (en lugar de la radiación térmica) para transferir la mayor parte de su calor. Se utilizan principalmente en edificios, automóviles y electrónica.
en un sistema de calefacción de la habitación, por ejemplo, se genera agua caliente o a veces vapor en las bobinas internas. A medida que el agua calienta la bobina, el aire al lado del radiador se calienta y aumenta., Una vez que el aire caliente se eleva, el aire frío se puede introducir y pasar por el radiador desde abajo. Este flujo de aire genera corrientes verticales que distribuyen el aire caliente por toda la habitación.
refrigerador
Tipo: convección forzada
un refrigerador contiene un compartimiento aislado térmicamente y una bomba de calor que mueve el calor desde el interior del refrigerador a su entorno externo. Utiliza la convección para hacer circular el aire frío alrededor de los alimentos.
El congelador enfría el aire en la parte superior. A medida que el aire se hunde, es reemplazado por aire más cálido que se eleva desde abajo., Este aire circulante se lleva el calor de todos los artículos en la nevera.
Cumulus y Cumulonimbus Nubes
Cúmulos de nubes
Tipo: Convección Natural
Cumulus y Cumulonimbus son dos diferentes tipos de nubes que se forman y crecen a través de la convección. Se forman a partir del vapor de agua transportado por poderosas corrientes de aire hacia arriba.
dado que las nubes de convección tienden a formarse rápidamente en las columnas ascendentes de aire, son ópticamente densas., Las superficies de pequeñas gotitas en estas nubes dispersan la luz solar más que las nubes que contienen menos o más gotitas. Esta es la razón por la que estas nubes a menudo se ven de color gris oscuro en los lados lejos del sol y de color blanco brillante en los lados frente a él.
Leer: 10 tipos básicos de nubes según sus niveles de altitud
circulación sanguínea
Tipo: convección forzada
Los humanos y otros mamíferos emplean la convección para regular la temperatura corporal., El corazón bombea sangre por todo el cuerpo a una velocidad promedio de 5 litros por minuto, y el calor producido por las células del cuerpo se transfiere al aire (o agua) que fluye sobre la piel.
si la temperatura de la piel es más baja que la de la temperatura del aire circundante, el cuerpo gana calor por convección y conducción. Pero, si la temperatura de la piel es más alta, el cuerpo pierde calor por convección y conducción. En los tejidos superficiales, donde la tasa de circulación sanguínea es mayor, la transferencia de calor es principalmente convectiva.,
Marangoni Efecto
demostración Experimental de Marangoni Efecto | Wikimedia
Tipo: Convección Natural
El efecto Marangoni es la convección de los fluidos debido a un gradiente de la tensión superficial. La tensión superficial depende de la temperatura o composición de los compuestos. En el primer caso, el efecto se llama termo-capilar de convección.
la presencia de un gradiente en la tensión superficial causa naturalmente que el líquido fluya lejos de regiones de baja tensión superficial., Esto sucede porque el líquido con una alta tensión superficial tira más fuertemente del líquido cercano que uno con baja tensión superficial.
El movimiento del manto de la Tierra
convección de todo el manto/Wikimedia
Tipo: convección Natural
El movimiento del manto de silicato sólido de la Tierra resultó de las corrientes de convección, que transportan calor desde el interior A la superficie del planeta, se llama convección de la Tierra.,
Más específicamente, la convección del manto es impulsada por tres procesos fundamentales:
- Pérdida de calor del núcleo (20%)
- calentamiento interno de la desintegración radiactiva (80%)
- enfriamiento desde arriba (hundimiento de losas litosféricas)
causa los movimientos de las placas litosféricas, la actividad volcánica superficial, el magmatismo, los terremotos, así como la mayoría de los procesos tectónicos y geológicos que se manifiestan en la corteza. A medida que la tasa de producción de calor se reduce, el planeta se enfría y, en última instancia, la convección se ralentiza o se detiene por completo.,
Leer: 4 capas diferentes de la Tierra/explicadas
Las estrellas tienen zona de convección
Tipo: convección Natural
varias actividades turbulentas, que ocurren dentro de la estrella, hacen que la energía se mueva hacia afuera. Cuando los gases se calientan (debido al flujo de energía desde lo más profundo del interior de la estrella) a temperaturas que son más altas que el gas circundante, se elevan, expanden y enfrían. Una vez que se termalizan, dejan de subir.
generalmente, las estrellas de baja masa tienen núcleos radiativos y envolventes convectivas, mientras que las estrellas de alta masa tienen núcleos convectivos y envolventes radiativas., La zona de convección del sol, por ejemplo, es la capa más externa del interior, que se extiende desde una profundidad de 200.000 kilómetros hasta la superficie visible. Esto significa que la energía se transfiere a través de la convección en esta región.
discos de acreción de Agujeros Negros
Tipo: convección Natural
Este es un ejemplo bastante inusual, pero la investigación y las simulaciones muestran que la convección de polvo y gas se produce en los discos de acreción de los agujeros negros a velocidades cercanas a la de la luz., Los movimientos conectivos se desarrollan por la disipación de intensas energías gravitacionales y rotacionales en los flujos de acreción.