Convezione

Figura 1. Un soggiorno sta raffreddando la porta, poiché l'aria calda (freccia rossa) e meno densa sale e fuoriesce da esso. Fonte: Wikimedia Commons. GenieClimatique/CC BY-SA (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)

Cos'è la convezione?

IL convezione È uno dei tre meccanismi in cui il calore viene trasferito da una zona più calda a una più fredda. Si svolge a causa del movimento della massa di un fluido, che può essere liquido o un gas. In ogni caso, è sempre richiesto un mezzo di materiale in modo che questo meccanismo possa essere dato.

Più veloce è il movimento del fluido in questione, più velocemente il trasferimento di energia termica sarà tra aree di diversa temperatura. Ciò si verifica continuamente con le masse d'aria atmosferiche: la flottabilità è responsabile del più caldo e meno denso ascendente, mentre il declino più freddo e denso.

Un esempio di questo è la stanza chiusa dell'immagine, che è immediatamente cool di seguito.

Tipi di convezione

Convezione naturale e forzata

figura 2. Esempi di convezione forzata e convezione naturale. Fonte: Cengel e. Termodinamica.

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 una ventola o da una pompa, ad esempio.

Diffusione e monitoraggio

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

D'altra parte, nella parte superiore viene spostata una buona quantità di impasto fluido, il che può essere ottenuto forzando la convezione con un ventilatore, ad esempio. Ma il vantaggio dell'upstart è che è molto più veloce della diffusione.

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Come viene trasferito il calore per convezione?

Un semplice modello matematico matematico per il trasferimento di calore convezione è la legge di raffreddamento di Newton. Considera una superficie calda A, circondata da aria più fredda, in modo che la differenza di temperatura sia piccola.

Chiamiamo che il calore è stato trasferito e T allo stesso tempo. La velocità con cui viene trasferito il 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 disponibile in joule/secondo, che sono watt o watt (w).

Questo tasso è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra il caldo e il mezzo, indicato come Δt e anche in superficie A dell'oggetto:

ΔT = temperatura superficiale dell'oggetto - temperatura lontano dall'oggetto

La costante di proporzionalità è chiamata H, Questo è il coefficiente di trasmissione di calore convezione ed è determinato sperimentalmente. Le sue unità nel sistema internazionale (SI) sono W/M². K, ma è normale trovarlo in termini di gradi Celsius o Celsius.

È importante notare che questo coefficiente non è una proprietà del fluido, poiché dipende da varie variabili, come la geometria superficiale, la velocità del fluido e altre caratteristiche.

Combinando tutto quanto sopra, la legge di raffreddamento di Newton matematicamente acquisisce questo modulo:

dq/dt = ha Δt

Applicazione della legge di raffreddamento di Newton

Una persona si trova nel mezzo di una stanza di 20 ° C, attraverso la quale soffia una leggera brezza. Qual è il tasso di calore che la persona trasmette nell'ambiente per convezione? Supponiamo che la superficie esposta sia 1.6 m² e la temperatura superficiale della pelle è di 29 ºC.

Fatto: Il coefficiente di trasferimento di calore per convezione in questo caso è 6 W/m². ºC

Soluzione

La persona può trasmettere calore all'aria che lo circonda, poiché è in movimento quando soffia la brezza. Per trovare la velocità di trasferimento DQ/DT, i valori nell'equazione di Newton per il raffreddamento vengono semplicemente sostituiti:

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dq/dt = 6 w/m². ºC x 1.6 m² X (29 ºC - 20 ° C) = 86.4 w.

Esempi di convezione

Scalda le mani in un fuoco

È comune riscaldare le mani avvicinandosi a un fuoco o tostapane caldi, poiché l'aria che circonda la fonte di calore viene riscaldata a sua volta e si espande, in aumento perché è meno denso. Mentre circola, questa aria calda avvolge e riscalda le mani.

Figura 3. Un modo per riscaldare le mani è attraverso la corrente di convezione originata dall'aria dall'incendio

Flusso d'aria sulla costa

Sulla costa, il mare è più freddo della terra, quindi l'aria sulla terra viene riscaldata e si alza, mentre arriva il più freddo e viene stabilito nello spazio lasciato dall'altro quando sale.

Questo è chiamato cella di convezione Ed è il motivo per cui si sente più fresco quando guarda il mare e la brezza soffia contro la sua faccia in una giornata calda. Di notte si verifica al contrario, la brezza fresca viene dalla terra.

Il ciclo dell'acqua

La convezione naturale si verifica nell'aria della costa oceanica, usando il ciclo idrologico, in cui l'acqua viene riscaldata ed evaporata grazie alla radiazione solare. Il vapore acqueo così formato sale, raffredda e condensa che formano nuvole, le cui masse aumentano e saliranno per convezione.

Aumentando le dimensioni delle cadute d'acqua, arriva un momento in cui l'acqua viene precipitata sotto forma di piogge, solido o liquido, a seconda della temperatura.

Fai bollire l'acqua in un contenitore

Quando l'acqua viene posizionata nella teiera o nella casseruola, gli strati più vicini al fondo vengono riscaldati per primi, poiché la fiamma o il calore del corno sono più vicini. Quindi l'acqua si espande e la sua densità diminuisce, quindi sale e l'acqua più fredda prende il suo posto nella parte inferiore del contenitore.

Può servirti: energia meccanica: formule, concetti, tipi, esempi, esercizi Figura 4. Riscaldamento dell'acqua convezione. Fonte: Wikimedia Commons. Utente: Oni Lukos/CC BY-SA (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/).

In questo modo tutti gli strati circolano rapidamente e tutta la massa d'acqua viene riscaldata. Questo è un buon esempio di monitoraggio.

Generazione del vento

La convezione nelle masse d'aria, insieme al movimento della rotazione terrestre produce venti, poiché l'aria fredda si muove e circola sotto l'aria calda, creando varie correnti chiamate correnti di 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 dell'interno del pianeta, dove è combinato con il movimento di rotazione 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 energetico lì, poiché le molecole gassose hanno abbastanza libertà per spostarsi tra le aree all'interno delle stelle.

Applicazioni di convezione

condizionatori

L'aria condizionata è posizionata vicino al tetto delle stanze, in modo che l'aria raffreddata, che è più densa, scendi e fresca più vicino al suolo.

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 dell'auto, ad esempio.

Isolanti termici in costruzione

Sono realizzati combinando piastre di materiale isolante e aggiungendo bolle d'aria all'interno.

Torri di raffreddamento

Chiamati anche torri di raffreddamento, servono a scartare il calore prodotto da centrali nucleari, raffinerie di petrolio e altre diverse strutture industriali, invece di farlo per sbarcare o acqua.

Riferimenti

1. Giambattista, a. 2010. Fisica. 2 °. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, e. Guida, convezione e radiazioni. Recuperato da: Eltamiz.com.
3. Natahenoo. Applicazioni di calore. Recuperato da: Cinehenao.WordPress.com.
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5. Wikipedia. Convezione. Recuperato da: in.Wikipedia.org.
6. Wikipedia. Convezione Thermique. Recuperato da: freddo.Wikipedia.org.