Cosa succede quando si lascia una ciotola di zuppa calda su un tavolo? Fa freddo dopo un po ‘ di tempo a causa della perdita di calore nell’aria circostante. E questo è (trasferimento di calore) ciò che chiamiamo convezione.
Esistono tre tipi di trasferimento di calore: radiazione, conduzione e convezione. Nelle radiazioni, il calore viene trasferito sotto forma di onde elettromagnetiche. Nella conduzione, il calore viaggia tra corpi che sono fisicamente connessi.,
La convezione, tuttavia, è la forma più complessa di trasferimento di calore perché comporta il movimento di massa di molecole all’interno di fluidi come liquidi e gas. In termini semplici, la convezione può avvenire solo in liquidi e gas.
Il trasferimento di calore convettivo e di massa (nei fluidi) avviene attraverso due meccanismi:
- Diffusione: il movimento netto delle molecole da una regione di maggiore concentrazione a una regione di minore concentrazione.
- Advection: trasporto di materia o calore dal movimento di massa delle correnti nel fluido.,
Nessuno dei processi avviene in solidi rigidi. Tuttavia, il trasferimento di calore convettivo può verificarsi in solidi morbidi o miscele in cui le particelle solide possono viaggiare da una posizione all’altra.
Il trasferimento di calore convettivo può essere diviso in due categorie: naturale e forzato.
Nella convezione libera o naturale, le correnti sono prodotte solo da differenze di densità derivate dalla temperatura nel fluido. Mentre, nella convezione forzata, le correnti sono dovute a un fattore esterno come un ventilatore o una pompa. Più velocemente il fluido si muove, più veloce è la velocità di convezione.,
Ora che hai un’idea generale di cosa sia effettivamente la convezione passiamo ai vari esempi e applicazioni. Qui di seguito abbiamo elencato un sacco di esempi di trasferimento di calore convettivo che si vede nella vostra vita di tutti i giorni.
Acqua bollente
Tipo: Convezione forzata
Quando si mette il bollitore sul fornello, si riscalda l’acqua dal basso. Le molecole vicino al fondo guadagnano energia cinetica e diventano meno dense., Poiché l’acqua calda sul fondo è meno densa dell’acqua fredda sopra di essa, l’acqua calda inizia a salire in superficie mentre l’acqua fredda affonda.
L’acqua fredda sul fondo diventa calda e meno densa dell’acqua sopra di essa, quindi sale in superficie. Il processo si ripete ancora e ancora, e tutto accade a causa della differenza di temperatura tra il fondo e la parte superiore del bollitore. I movimenti delle molecole d’acqua sono correnti di convezione.,
Dissipatore di calore
Tipo: Convezione forzata
Il dissipatore di calore è uno scambiatore di calore passivo che migliora la velocità di trasferimento di calore convettivo. È ampiamente usato in apparecchiature elettroniche. Ad esempio, una CPU/GPU convenzionale utilizza un dissipatore di calore in combinazione con una ventola per mantenere la temperatura operativa entro limiti tollerabili.
Generalmente, un dissipatore di calore è costituito da una base e pinne che si estendono verso l’esterno. Le sue prestazioni sono influenzate da vari fattori come la velocità dell’aria, il design delle pinne e il materiale utilizzato per costruire il dissipatore di calore.,
Brezza di terra e mare
Immagine di credito: Freepik
Tipo: Convezione naturale
La formazione di terra e brezza marina è uno dei classici esempi di convezione. Il sole riscalda sia la terra che la superficie del mare durante il giorno. Ma poiché la terra ha meno capacità di assorbimento del calore rispetto al mare, la sua temperatura superficiale aumenta, riscaldando l’aria intorno ad essa. L’aria calda (meno densa) inizia a salire e viene creata una bassa pressione.
Allo stesso tempo, un’area ad alta pressione si sviluppa (con aria fredda e densa) sopra la parte superiore del mare., A causa della differenza di pressione, l’aria scorre dal mare alla terra, e l’aria fredda che arriva è chiamata brezza marina.
Il processo viene invertito durante la notte. La terra si raffredda più velocemente del mare, diminuendo la temperatura dell’aria intorno ad esso e creando una situazione di alta pressione. Ora l’aria fredda scorre dalla terra al mare, e questo è ciò che chiamiamo la brezza terrestre.
In entrambi i casi, il calore si trasferisce attraverso molecole d’aria.,
Effetto camino
Tipo: Convezione forzata
Quando l’aria scorre dentro e fuori dagli edifici, pile di fumi o altre strutture simili, a causa della galleggiabilità, è chiamato effetto camino. Succede a causa di differenze di temperatura/umidità interne ed esterne. L’aria fredda ad alta densità spinge sempre i gas caldi a bassa densità verso l’alto.
Più alta è la struttura e maggiore è la differenza termica, maggiore è la forza di galleggiabilità e quindi l’effetto camino., Molti grattacieli e torri di raffreddamento utilizzano lo stesso principio per ottenere ventilazione naturale e infiltrazione.
Forno a convezione
Un forno a convezione industriale utilizzato nell’industria aeronautica
Tipo: convezione forzata
I forni a convezione utilizzano il meccanismo di convezione per cucinare il cibo più velocemente dei forni convenzionali. Hanno ventilatori per far circolare l’aria calda intorno al cibo, che consente al cibo di cucinare in modo più uniforme a temperature più basse e in meno tempo., I forni a convezione industriale sono utilizzati per la produzione di molti prodotti, compresi gli articoli non alimentari.
Fusione del ghiaccio
Tipo: Convezione naturale
La convezione svolge un ruolo importante nel processo di riduzione dello spessore del ghiaccio. Quando l’aria calda soffia sulla superficie del ghiaccio, aumenta la temperatura dello strato esterno del ghiaccio. Più calda è l’aria e più velocemente soffia, meno tempo impiegherà il ghiaccio a sciogliersi.,
Radiatore
Tipo: Convezione forzata
Un radiatore trasferisce energia termica da un mezzo all’altro. Nonostante il nome, la maggior parte dei radiatori utilizza la convezione (invece della radiazione termica) per trasferire la maggior parte del loro calore. Sono principalmente utilizzati in edifici, automobili ed elettronica.
In un sistema di riscaldamento della stanza, ad esempio, l’acqua calda o talvolta il vapore viene generato nelle bobine interne. Mentre l’acqua riscalda la bobina, l’aria accanto al radiatore si scalda e si solleva., Una volta che l’aria riscaldata si alza, l’aria fresca può essere aspirata dentro e attraverso il radiatore da sotto. Questo flusso d’aria genera correnti verticali che distribuiscono aria calda in tutta la stanza.
Frigorifero
Tipo: Convezione forzata
Un frigorifero contiene un vano termicamente isolato e una pompa di calore che sposta il calore dall’interno del frigorifero al suo ambiente esterno. Usa la convezione per far circolare l’aria fredda intorno al cibo.
Il comparto congelatore raffredda l’aria nella parte superiore. Come lavandini d’aria, viene sostituito da aria più calda che sale dal basso., Questa aria circolante porta via il calore da tutti gli oggetti nel frigorifero.
Nubi Cumuliformi e Cumulonimbiche
Nubi cumuliformi
Tipo: Convezione naturale
Cumulus e Cumulonimbus sono due diversi tipi di nubi che si formano e crescono per convezione. Sono formati da vapore acqueo trasportato da potenti correnti d’aria verso l’alto.
Poiché le nuvole di convezione tendono a formarsi rapidamente nelle colonne d’aria in aumento, sono otticamente dense., Le superfici di minuscole goccioline in queste nuvole disperdono la luce solare più delle nuvole che contengono goccioline meno o più grandi. Questo è il motivo per cui queste nuvole spesso sembrano grigio scuro sui lati lontano dal sole e bianco brillante sui lati di fronte ad esso.
Leggi: 10 tipi di base di nuvole in base ai loro livelli di altitudine
Circolazione sanguigna
Tipo: Convezione forzata
Gli esseri umani e altri mammiferi utilizzano la convezione per regolare la temperatura corporea., Il cuore pompa il sangue in tutto il corpo ad una velocità media di 5 litri al minuto e il calore prodotto dalle cellule del corpo viene trasferito all’aria (o all’acqua) che scorre sulla pelle.
Se la temperatura della pelle è inferiore a quella della temperatura dell’aria circostante, il corpo guadagna calore per convezione e conduzione. Ma, se la temperatura della pelle è più alta, il corpo perde calore per convezione e conduzione. Nei tessuti superficiali, dove il tasso di circolazione sanguigna è più alto, il trasferimento di calore è principalmente convettivo.,
Effetto Marangoni
dimostrazione Sperimentale dell’Effetto Marangoni | Wikimedia
Tipo: Convezione Naturale
L’effetto Marangoni è la convezione di liquidi a causa di un gradiente di tensione superficiale. La tensione superficiale dipende dalla temperatura o dalla composizione dei composti. Nel primo caso, l’effetto è chiamato convezione termo-capillare.
La presenza di un gradiente nella tensione superficiale provoca naturalmente il flusso del liquido dalle regioni di bassa tensione superficiale., Ciò accade perché il liquido con un’alta tensione superficiale tira più forte sul liquido vicino di uno con bassa tensione superficiale.
Il moto del Mantello terrestre
Convezione del mantello intero/Wikimedia
Tipo: Convezione naturale
Il movimento del mantello di silicato solido della Terra è il risultato di correnti di convezione, che trasportano il calore dall’interno alla superficie del pianeta, è chiamato convezione terrestre.,
Più specificamente, mantello di convezione è guidata da tre processi fondamentali:
- la perdita di Calore dal core (20%)
- Interni riscaldamento dal decadimento radioattivo (80%)
- Raffreddamento da sopra (affondamento di litosferiche lastre)
a causa dei movimenti delle placche litosferiche, superficie attività vulcanica, magmatism, terremoti, così come la maggior parte della tettonica e processi geologici manifesta nella crosta. Come il tasso di produzione di calore si riduce, il pianeta si raffredda, e, infine, la convezione rallenta o si ferma del tutto.,
Leggi: 4 diversi strati della Terra | Spiegato
Le stelle hanno zona di convezione
Tipo: Convezione naturale
Varie attività turbolente, che si verificano all’interno della stella, causano l’energia a muoversi verso l’esterno. Quando i gas si riscaldano (a causa del flusso di energia dal più profondo all’interno della stella) a temperature superiori al gas circostante, aumentano, si espandono e si raffreddano. Una volta termalizzati, smettono di salire.
Generalmente, le stelle a bassa massa hanno nuclei radiativi e inviluppi convettivi, mentre le stelle ad alta massa hanno nuclei convettivi e inviluppi radiativi., La zona di convezione del Sole, ad esempio, è lo strato più esterno dell’interno, che si estende da una profondità di 200.000 chilometri fino alla superficie visibile. Ciò significa che l’energia viene trasferita attraverso la convezione in questa regione.
Dischi di accrescimento dei buchi neri
Tipo: Convezione naturale
Questo è un esempio piuttosto insolito, ma ricerche e simulazioni mostrano che la convezione di polvere e gas avviene nei dischi di accrescimento dei buchi neri a velocità vicine a quelle della luce., I moti connettivi sono sviluppati dalla dissipazione di intense energie gravitazionali e rotazionali nei flussi di accrescimento.