Se avvicini la mano a una lampada elettrica accesa o metti il palmo della mano sopra una stufa calda, puoi sentire il movimento delle correnti d'aria calda. Lo stesso effetto si può osservare quando un foglio di carta viene fatto oscillare su una fiamma libera. Entrambi gli effetti sono spiegati dalla convezione.
Che cos'è?
Il fenomeno della convezione si basa sull'espansione di una sostanza più fredda a contatto con masse calde. In tali circostanze, la sostanza riscaldata perde la sua densità e diventa più leggera rispetto allo spazio freddo che la circonda. Più precisamente, questa caratteristica del fenomeno corrisponde al movimento dei flussi di calore quando l'acqua viene riscaldata.
Il movimento delle molecole in direzioni opposte sotto l'influenza del riscaldamento è esattamente ciò su cui si basa la convezione. Radiazione e conducibilità termica sono processi simili, ma riguardano principalmente il trasferimento di energia termica nei solidi.
Esempi vividi di convezione: il movimento dell'aria calda nel mezzo di una stanza con riscaldamentoelettrodomestici, quando i flussi riscaldati si muovono sotto il soffitto e l'aria fredda scende sulla superficie stessa del pavimento. Ecco perché, quando il riscaldamento è acceso, l'aria nella parte superiore della stanza è notevolmente più calda rispetto alla parte inferiore della stanza.
Legge di Archimede ed espansione termica dei corpi fisici
Per capire cos'è la convezione naturale, basta considerare il processo usando l'esempio della legge di Archimede e il fenomeno dell'espansione dei corpi sotto l'influenza della radiazione termica. Quindi, secondo la legge, un aumento della temperatura porta necessariamente ad un aumento del volume del liquido. Il liquido riscaldato dal basso nei contenitori sale più in alto e l'umidità di densità maggiore, rispettivamente, si sposta più in basso. Nel caso di riscaldamento dall' alto, liquidi sempre meno densi rimarranno al loro posto, nel qual caso il fenomeno non si verificherà.
L'emergere del concetto
Il termine "convezione" fu proposto per la prima volta dallo scienziato inglese William Prout nel 1834. Era usato per descrivere il movimento di masse termiche in liquidi riscaldati e in movimento.
I primi studi teorici sul fenomeno della convezione iniziarono solo nel 1916. Durante gli esperimenti si è riscontrato che il passaggio dalla diffusione alla convezione nei liquidi riscaldati dal basso avviene al raggiungimento di determinati valori di temperatura critici. Successivamente, questo valore è stato definito come "Numero Roel". Prende il nome dal ricercatore che lo ha studiato. I risultati degli esperimenti hanno permesso di spiegare il movimento dei flussi di calore sotto l'influenza delle forze di Archimede.
Tipi di convezione
Ci sono diversi tipi di fenomeno che descriviamo: convezione naturale e forzata. Un esempio del movimento dei flussi d'aria calda e fredda al centro di una stanza è il modo migliore per caratterizzare il processo di convezione naturale. Per quanto riguarda il forzato, si può osservare quando si mescola il liquido con un cucchiaio, una pompa o un agitatore.
La convezione è impossibile quando i solidi vengono riscaldati. Ciò è dovuto all'attrazione reciproca piuttosto forte durante la vibrazione delle loro particelle solide. Come risultato del riscaldamento di corpi a struttura solida, non si verificano convezione e radiazione. La conducibilità termica sostituisce questi fenomeni in tali corpi e contribuisce al trasferimento di energia termica.
La cosiddetta convezione capillare è un tipo separato. Il processo si verifica quando la temperatura cambia durante il movimento del fluido attraverso i tubi. In condizioni naturali, il significato di tale convezione, insieme alla convezione naturale e forzata, è estremamente insignificante. Tuttavia, nella tecnologia spaziale, la convezione capillare, la radiazione e la conduttività termica dei materiali diventano fattori molto significativi. Anche i moti convettivi più deboli in condizioni di assenza di gravità rendono difficile l'implementazione di alcune attività tecniche.
Convezione negli strati della crosta terrestre
I processi di convezione sono indissolubilmente legati alla formazione naturale di sostanze gassose nello spessore della crosta terrestre. Il globo può essere considerato come una sfera composta da più strati concentrici. Al centro c'è un enorme nucleo caldo, che è una massa liquida ad alta densità contenente ferro,nichel e altri metalli.
Gli strati circostanti al nucleo terrestre sono la litosfera e il mantello semiliquido. Lo strato superiore del globo è direttamente la crosta terrestre. La litosfera è formata da singole placche che sono in movimento libero, che si muovono lungo la superficie del mantello liquido. Nel corso del riscaldamento irregolare di varie parti del mantello e delle rocce, che differiscono per composizione e densità diverse, si formano flussi convettivi. È sotto l'influenza di tali flussi che avviene la naturale trasformazione dei fondali oceanici e il movimento dei continenti portanti.
Differenze tra convezione e conduzione del calore
La conducibilità termica dovrebbe essere intesa come la capacità dei corpi fisici di trasferire calore attraverso il movimento di composti atomici e molecolari. I metalli sono ottimi conduttori di calore, poiché le loro molecole sono in stretto contatto tra loro. Al contrario, le sostanze gassose e volatili agiscono come cattivi conduttori di calore.
Come avviene la convezione? La fisica del processo si basa sul trasferimento di calore dovuto al libero movimento della massa di molecole di sostanze. A sua volta, la conducibilità termica consiste unicamente nel trasferimento di energia tra le particelle costituenti un corpo fisico. Tuttavia, entrambi i processi sono impossibili senza la presenza di particelle di materia.
Esempi del fenomeno
L'esempio più semplice e comprensibile di convezione è il processo di un normale frigorifero. Circolazioneil gas freon raffreddato attraverso i tubi della camera di refrigerazione porta ad una diminuzione della temperatura degli strati superiori dell'aria. Di conseguenza, essendo sostituiti da flussi più caldi, quelli freddi scendono, raffreddando così i prodotti.
La griglia posta sul pannello posteriore del frigorifero svolge il ruolo di elemento che facilita l'eliminazione dell'aria calda che si forma nel compressore dell'unità durante la compressione del gas. Anche il raffreddamento della griglia si basa su meccanismi convettivi. È per questo motivo che non è consigliabile ingombrare lo spazio dietro il frigorifero. Dopotutto, solo in questo caso il raffreddamento può avvenire senza difficoltà.
Altri esempi di convezione possono essere visti osservando un fenomeno naturale come il movimento del vento. Riscaldandosi sui continenti aridi e raffreddandosi su terreni più aspri, le correnti d'aria iniziano a spostarsi a vicenda, facendole muovere, oltre a spostare umidità ed energia.
La possibilità di volare in volo per uccelli e alianti è legata alla convezione. Masse d'aria meno dense e più calde, con un riscaldamento irregolare vicino alla superficie terrestre, portano alla formazione di correnti ascendenti, che contribuiscono al processo di ascesa. Per superare le distanze massime senza dispendio di forza ed energia, gli uccelli hanno bisogno della capacità di trovare tali ruscelli.
Buoni esempi di convezione sono la formazione di fumo nei camini e nei crateri vulcanici. Il movimento verso l' alto del fumo si basa sulla sua temperatura più alta e sulla densità inferiore rispetto all'ambiente circostante. Man mano che il fumo si raffredda, si deposita gradualmente negli strati inferiori dell'atmosfera. Proprio per questo motivole tubazioni industriali, attraverso le quali le sostanze nocive vengono rilasciate nell'atmosfera, siano realizzate il più in alto possibile.
Gli esempi più comuni di convezione in natura e tecnologia
Tra gli esempi più semplici e di facile comprensione che si possono osservare nella natura, nella vita quotidiana e nella tecnologia, dovremmo evidenziare:
- flusso d'aria durante il funzionamento delle batterie di riscaldamento domestico;
- formazione e movimento delle nuvole;
- il processo di movimento del vento, dei monsoni e delle brezze;
- spostamento delle placche tettoniche di terra;
- processi che portano alla formazione di gas libero.
Cucinare
Il fenomeno della convezione si realizza sempre più nei moderni elettrodomestici, in particolare nei forni. La camera a gas convezione permette di cuocere contemporaneamente pietanze diverse su livelli separati a temperature diverse. Questo elimina completamente la mescolanza di gusti e odori.
Il forno tradizionale si basa su un unico bruciatore per riscaldare l'aria, con conseguente distribuzione del calore non uniforme. A causa del movimento mirato dei flussi d'aria calda con l'aiuto di una ventola specializzata, i piatti in un forno a convezione risultano più succosi e meglio cotti. Tali dispositivi si riscaldano più velocemente, riducendo il tempo necessario per la cottura.
Certo, per le massaie che cucinano in forno solo poche volte l'anno, un elettrodomestico conla funzione di convezione non può essere definita una tecnica di prima necessità. Tuttavia, per coloro che non possono vivere senza esperimenti culinari, un tale dispositivo diventerà semplicemente indispensabile in cucina.
Ci auguriamo che il materiale presentato ti sia stato utile. Buona fortuna!
