CONVEZIONE: CARATTERISTICHE, ESEMPI, APPLICAZIONI - FISICO - 2024

La convezione è uno dei tre meccanismi con cui il calore viene trasferito da una zona più calda a un'altra 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 abbia luogo.

Più veloce è il movimento del fluido in questione, più veloce è il trasferimento di energia termica tra zone a diverse temperature. Questo accade in continuazione con le masse d'aria atmosferiche: il galleggiamento fa sì che quelle più calde e meno dense si alzino mentre quelle più fredde e più dense scendono.

Figura 1. Un ambiente viene raffreddato aprendo la porta, poiché l'aria calda (freccia rossa) e meno densa sale e fuoriesce da essa. Fonte: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Ne è un esempio la stanza chiusa nell'immagine, che viene immediatamente 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 di più giù.

Tipi di convezione

Convezione naturale e forzata

Figura 2. Esempi di convezione forzata e convezione naturale. Fonte: Cengel, Y. Thermodynamics.

La convezione può essere naturale o forzata. Nel primo caso il fluido si muove da solo, come quando si apre la porta della stanza, mentre nel secondo è forzato da un ventilatore o da una pompa, ad esempio.

Diffusione e avvezione

Possono esserci anche due varianti: diffusione e avvezione. Nella diffusione, le molecole del fluido si muovono più o meno casualmente e la trasmissione del calore è lenta.

Al contrario, l'avvezione muove una buona quantità di massa fluida, cosa 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.

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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 il calore trasferito Q e il tempo t. 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 A dell'oggetto:

La costante di proporzionalità si chiama h, che è il coefficiente di scambio termico per convezione ed è determinata sperimentalmente. Le sue unità nel Sistema Internazionale (SI) sono W / m ² . 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:

Applicazione della legge del raffreddamento di Newton

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 l'area della superficie esposta sia di 1,6 m ² e la temperatura della superficie della pelle sia di 29 ºC.

Fatto : il coefficiente di scambio termico per convezione in questo caso è 6 W / m ² . ºC

Soluzione

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 / m ² . ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W.

Esempi di convezione

Riscalda le mani su un falò

È comune scaldarsi le mani avvicinandole a un falò o ad un tostapane caldo, poiché l'aria intorno alla fonte di calore a sua volta si riscalda e si dilata, salendo perché meno densa. Mentre circola, quest'aria calda avvolge e riscalda le tue mani.

Figura 3. Un modo per riscaldare le mani è attraverso la corrente di convezione creata nell'aria dal fuoco. Fonte: Pxfuel.

Flusso d'aria sulla costa

Sulla costa il mare è più freddo della terra, quindi l'aria sopra la terra si riscalda e si alza, mentre l'aria più fredda arriva e si deposita nello spazio lasciato da quest'altra durante la risalita.

Questa è chiamata cella di convezione ed è il motivo per cui si sente più fresco quando si guarda il mare e la brezza soffia contro il tuo viso in una giornata calda. Di notte accade il contrario, la fresca brezza arriva da terra.

Il ciclo dell'acqua

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 si alza, si raffredda e si condensa in nuvole, le cui masse aumentano e salgono per convezione.

Aumentando la dimensione delle goccioline d'acqua, arriva un momento in cui l'acqua precipita sotto forma di pioggia, solida o liquida, a seconda della temperatura.

Fai bollire l'acqua in un contenitore

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.

Figura 4. Riscaldamento dell'acqua per convezione. Fonte: wikimedia Commons. Utente: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

In questo modo tutti gli strati circolano rapidamente e l'intero specchio d'acqua si riscalda. Questo è un buon esempio di avvezione.

Generazione del vento

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.

Correnti oceaniche

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.

Effetto dinamo

Si verifica nel nucleo fuso all'interno del pianeta, dove si combina con il movimento rotatorio della Terra, generando correnti elettriche che danno origine al campo magnetico terrestre.

Trasmissione di energia all'interno delle stelle

Le stelle come il Sole sono enormi sfere di gas. La convezione è un efficiente meccanismo di trasporto di energia lì, poiché le molecole gassose hanno sufficiente libertà di muoversi tra le aree dell'interno delle stelle.

Applicazioni della convezione

condizionatori

Il condizionatore è posizionato vicino al soffitto delle stanze, in modo che l'aria raffreddata, che è più densa, discenda e si raffreddi più vicino al pavimento velocemente.

Scambiatori di calore

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 di un'automobile, ad esempio.

Isolanti termici negli edifici

Sono realizzati unendo fogli di materiale isolante e aggiungendo bolle d'aria all'interno.

Torri di raffreddamento

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 all'acqua.

Riferimenti

1. Giambattista, A. 2010. Fisica. 2 °. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conduzione, convezione e radiazione. Estratto da: eltamiz.com.
3. Natahenao. Applicazioni di calore. Estratto da: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Physics for Science and Engineering. Volume 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Convezione. Estratto da: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Convezione termica. Estratto da: fr.wikipedia.org.