Il convezione è uno dei tre meccanismi in cui il calore viene trasferito da una zona più calda a una più fredda. Avviene a causa del movimento della massa di un fluido, che può essere un liquido o un gas. In ogni caso, è sempre necessario un mezzo materiale affinché questo meccanismo possa aver luogo..
Più veloce è il movimento del fluido in questione, più veloce è il trasferimento di energia termica tra zone di diverse temperature. Questo accade in continuazione con le masse d'aria atmosferiche: il galleggiamento fa sì che quelle più calde e meno dense salgano mentre quelle più fredde e dense scendano.
Ne è un esempio la stanza chiusa nell'immagine, che viene subito rinfrescata non appena si aprono le porte o le finestre, poiché l'aria calda dall'interno fuoriesce anche attraverso le fessure, lasciando il posto all'aria fresca dall'esterno che rimane più sotto.
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La convezione può essere naturale o forzata. Nel primo caso il fluido si muove da solo, come quando si apre la porta della camera, mentre nel secondo è forzato da un ventilatore o da una pompa, ad esempio.
Possono esserci anche due varianti: diffusione Y avvezione. Nella diffusione, le molecole del fluido si muovono più o meno casualmente e il trasferimento di calore è lento..
D'altra parte, in avvezione, si muove una buona quantità di massa fluida, che può essere ottenuta forzando la convezione con un ventilatore, ad esempio. Ma il vantaggio dell'avvezione è che è molto più veloce della diffusione.
Un semplice modello matematico del trasferimento di calore convettivo è la legge del raffreddamento di Newton. Si consideri una superficie calda dell'area A, circondata da aria più fresca, in modo tale che la differenza di temperatura sia piccola.
Chiamiamo Q il calore trasferito et il tempo. La velocità di trasferimento del calore è dQ / dt o derivata dalla funzione Q (t) rispetto al tempo.
Poiché il calore è energia termica, le sue unità nel Sistema Internazionale sono joule (J), quindi la velocità di trasferimento è espressa in joule / secondo, che sono watt o watt (W).
Questa velocità è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra l'oggetto caldo e il mezzo, indicata come ΔT e anche alla superficie PER dell'oggetto:
ΔT = Temperatura sulla superficie dell'oggetto - Temperatura lontano dall'oggetto
Si chiama la costante di proporzionalità h, che cosa è lui coefficiente di scambio termico per convezione ed è determinato sperimentalmente. Le sue unità nel Sistema Internazionale (SI) sono W / mDue. K, ma è comune trovarlo in termini di gradi Celsius o centigradi.
È importante notare che questo coefficiente non è una proprietà del fluido, poiché dipende da diverse variabili, come la geometria della superficie, la velocità del fluido e altre caratteristiche..
Combinando tutto quanto sopra, matematicamente la legge del raffreddamento di Newton assume questa forma:
dQ / dt = hA ΔT
Una persona si trova nel mezzo di una stanza a 20 ° C, attraverso la quale soffia una leggera brezza. Qual è la velocità di calore che la persona trasmette all'ambiente per convezione? Supponiamo che la superficie esposta sia di 1,6 mDue e la temperatura superficiale della pelle è di 29 ºC.
Fatto: il coefficiente di scambio termico per convezione in questo caso è di 6 W / mDue. ºC
La persona può trasmettere calore all'aria circostante, poiché è in movimento quando soffia la brezza. Per trovare la velocità di trasferimento dQ / dt, è sufficiente inserire i valori nell'equazione di Newton per il raffreddamento:
dQ / dt = 6 W / mDue. ºC x 1,6 mDue x (29 ° C - 20 ° C) = 86,4 W.
È comune scaldarsi le mani avvicinandole a un falò o ad un tostapane caldo, poiché l'aria che circonda la fonte di calore a sua volta si riscalda e si dilata, salendo perché meno densa. Mentre circola, quest'aria calda avvolge e riscalda le mani.
Sulla costa il mare è più freddo della terra, quindi l'aria sopra la terra si riscalda e sale, mentre l'aria più fredda arriva e si deposita nello spazio lasciato da quest'altra durante la risalita..
Questo è chiamato cella di convezione Ed è il motivo per cui è più fresco quando guardi il mare e la brezza ti soffia contro il viso in una giornata calda. Di notte accade il contrario, la brezza fresca arriva da terra.
La convezione naturale avviene nell'aria delle coste oceaniche, attraverso il ciclo idrologico, in cui l'acqua viene riscaldata ed evaporata grazie alla radiazione solare. Il vapore acqueo così formato sale, si raffredda e si condensa in nuvole, le cui masse aumentano e salgono per convezione..
Con l'aumentare delle dimensioni delle goccioline d'acqua, arriva un momento in cui l'acqua precipita sotto forma di pioggia, solida o liquida, a seconda della temperatura..
Quando l'acqua viene messa nel bollitore o nella casseruola, gli strati più vicini al fondo vengono riscaldati per primi, poiché la fiamma o il calore del bruciatore è più vicino. Quindi l'acqua si dilata e la sua densità diminuisce, quindi si alza e l'acqua più fredda prende posto sul fondo del contenitore..
In questo modo tutti gli strati circolano rapidamente e l'intero specchio d'acqua si riscalda. Questo è un buon esempio di avvezione.
La convezione nelle masse d'aria, insieme al movimento rotatorio della terra, produce venti, poiché l'aria fredda si muove e circola sotto l'aria calda, creando varie correnti chiamate correnti di convezione..
L'acqua si comporta in modo simile a come fa l'aria nell'atmosfera. Le acque più calde sono quasi sempre vicine alla superficie, mentre le acque più fredde sono più profonde.
Si verifica nel nucleo fuso dell'interno del pianeta, dove si combina con la rotazione della Terra, generando correnti elettriche che danno origine al campo magnetico terrestre..
Le stelle come il Sole sono enormi sfere di gas. La convezione è un efficiente meccanismo di trasporto dell'energia lì, poiché le molecole gassose hanno abbastanza libertà per muoversi tra le aree dell'interno delle stelle..
Il condizionatore è posizionato vicino al soffitto delle stanze, in modo che l'aria raffreddata, più densa, scenda e si raffreddi più vicino al pavimento velocemente.
È un dispositivo che consente la trasmissione del calore da un fluido all'altro ed è il principio di funzionamento dei condizionatori d'aria e dei meccanismi di raffreddamento del motore dell'auto, ad esempio.
Sono realizzati unendo fogli di materiale isolante e aggiungendo bolle d'aria all'interno.
Chiamate anche torri di raffreddamento, servono a smaltire nell'aria il calore prodotto da centrali nucleari, raffinerie di petrolio e altri vari impianti industriali, invece che a terra o nelle acque.
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