Il trasferimento di calore per convezione Avviene attraverso il movimento di un fluido, che può essere un gas o un liquido. Man mano che la densità diminuisce con l'aumentare della temperatura, le masse di fluido più calde aumentano, mentre le parti più fredde diminuiscono. In questo modo si produce un movimento di massa di fluido, attraverso il quale il calore viene trasportato da un lato all'altro..
Questa è la caratteristica che distingue la convezione dalla conduzione e dall'irraggiamento, perché nella convezione c'è sempre uno spostamento netto delle masse. D'altra parte, la radiazione non necessita di un mezzo materiale per propagarsi e per quanto riguarda la trasmissione per conduzione, è dovuta a collisioni successive tra atomi e molecole, senza movimento netto della materia..
Tuttavia, a livello dell'atmosfera e degli oceani, è facile che si verifichino spostamenti di grandi masse di aria e acqua. Questo è il motivo per cui la convezione è il meccanismo di trasferimento di energia predominante in questi mezzi, ed è quello che determina in gran parte il clima della Terra..
In una cucina domestica puoi vedere da vicino i meccanismi di trasferimento del calore. Basta mettere l'acqua a scaldare in una casseruola. La porzione di fluido più vicina alla fiamma del bruciatore si riscalda, la sua densità diminuisce e sale. Il suo posto è preso dall'acqua più fredda, che scende sul fondo della pentola..
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Quando una porzione di fluido viene riscaldata, le sue molecole si muovono più velocemente e si allontanano l'una dall'altra. Per questo motivo il fluido a temperatura più alta diventa meno denso ed è in grado di salire per galleggiamento portando con sé il calore..
Quindi una massa di fluido più fredda occupa il posto lasciato da queste molecole in ascesa e questo scambio continuo genera i richiami correnti di convezione.
Ciò può essere ottenuto in due modi: per convezione naturale (libera) o per convezione forzata. Inoltre, entrambe le forme di convezione sono presenti negli impianti di riscaldamento centralizzato o nelle centrali solari..
In cosa consiste ciascuno è spiegato di seguito:
In questo meccanismo il calore fluisce solo grazie al fatto che la differenza di temperatura del fluido in questione, in presenza della gravità terrestre, produce un cambiamento di densità, che fa galleggiare la parte più calda e discendere le parti più fredde. Senza gravità non c'è convezione naturale.
C'è un semplice esperimento in laboratorio che permette di visualizzare queste correnti di convezione naturale quando si formano nell'acqua.
È necessario un tubo di vetro piegato in una forma quadrata o rettangolare e un colorante che renda visibili le correnti ascensionali. Questo di solito è permanganato di potassio, che colora l'acqua viola o le gocce di un qualche tipo di inchiostro.
A questo punto uno degli angoli inferiori del tubo viene riscaldato e la densità della porzione di acqua appena sopra la fiamma diminuisce e sale, venendo sostituita da una porzione di acqua più fredda..
Questo processo di scambio continuo tra acqua calda e fredda genera una corrente di convezione in senso antiorario, che si osserva grazie al colorante viola, come mostrato nella figura sopra.
Il fluido può anche essere costretto a circolare per trasmettere calore, invece di consentire alle correnti di convezione di verificarsi naturalmente a causa della differenza di densità..
Quando la convezione avviene grazie a mezzi esterni che spingono il fluido, come un ventilatore o una pompa, è una convezione forzata. Il fluido può essere costretto a fluire attraverso una tubazione, come negli impianti di riscaldamento centralizzato delle case, nel radiatore di un'auto o in uno spazio più aperto, grazie ad un ventilatore a pale.
Il sistema di riscaldamento centralizzato in una casa utilizza il trasferimento di calore per convezione in acqua.
Per questo, l'acqua calda deve essere fatta circolare attraverso i tubi sotto il pavimento, da una caldaia centrale. In questo modo l'acqua cede calore ai termosifoni o alle caldaie e da queste il calore passa agli ambienti, mentre l'acqua fredda torna nuovamente alla caldaia per ripetere il ciclo..
Come si può vedere, sia la convezione naturale che quella forzata sono presenti nel meccanismo di riscaldamento centrale..
Fonti di calore come i termosifoni riscaldano l'aria circostante e questa sale, mentre l'aria dall'alto scende generando correnti d'aria convettive nell'ambiente riscaldato.
Ogni volta che il cibo viene bollito in acqua o messo a bagno nell'olio per friggere, viene cotto per convezione del calore trasferito.
Nella pastorizzazione, il latte e altri alimenti liquidi vengono riscaldati a temperature elevate per determinati periodi di tempo, a seconda della variante di pastorizzazione utilizzata. Questo viene fatto per eliminare i batteri e aumentare la durata del prodotto..
La convezione è il principale meccanismo di trasferimento del calore in questi casi, sebbene altri meccanismi, come la conduzione, non siano esclusi..
Le correnti di convezione nell'atmosfera causano i venti. Queste correnti si formano a causa di molti fattori, incluso il fatto che la superficie terrestre si riscalda in modo non uniforme..
Ad esempio, durante il giorno la spiaggia si riscalda più dell'acqua di mare, quindi il galleggiamento fa salire l'aria sopra la spiaggia e al suo posto viene sostituita l'aria più fresca proveniente dal mare..
Ma di notte il processo avviene al contrario, poiché la spiaggia perde calore più velocemente dell'acqua e l'aria più calda viene diretta verso il mare. Ecco perché in un incendio notturno sulla spiaggia, il fumo si sposta verso il mare, mentre se il fuoco viene fatto di giorno, il fumo si sposta verso terra.
La Terra è composta da strati e il nucleo ha uno strato esterno ad alta temperatura che non è solidificato. Il movimento del pianeta crea correnti di convezione in questo fluido, che si ritiene siano responsabili del campo magnetico terrestre..
I campi magnetici sono dovuti alla presenza di cariche elettriche in movimento. Gli ioni e le particelle cariche presenti nel nucleo esterno sono in grado di generare questo campo, poiché i movimenti planetari fanno sì che queste particelle si comportino in modo simile a piccoli anelli di corrente (circuiti chiusi)..
Gli scienziati hanno trovato una correlazione tra l'intensità del campo magnetico e la velocità di rotazione del pianeta. Si ritiene che il debole campo magnetico di Venere sia dovuto alla sua velocità di rotazione più lenta di quella di Giove, il cui campo magnetico è molto più intenso.
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