La convección es la transferencia de calor debido al movimiento masivo de moléculasdentro de fluidos como gases y líquidos , incluida la roca fundida ( reid ). La convección incluye sub-mecanismos de advección (transferencia de calor de flujo en masa direccional) y difusión (transferencia de energía o partículas no masivas a lo largo de un gradiente de concentración).
La convección no puede tener lugar en la mayoría de los sólidos porque no pueden tener lugar flujos de corrientes en masa ni una difusión significativa de materia. La difusión del calor tiene lugar en sólidos rígidos, pero eso se llama conducción de calor . La convección, además, puede tener lugar en sólidos blandos o mezclas en las que las partículas sólidas pueden moverse entre sí.
La convección térmica puede demostrarse colocando una fuente de calor (por ejemplo, un quemador Bunsen ) en el lado de un vaso lleno de líquido, y observando los cambios de temperatura en el vidrio causados por el fluido más caliente que circula hacia las áreas más frías.
La transferencia de calor por convección es uno de los principales tipos de transferencia de calor , y la convección es también un modo importante de transferencia de masa en fluidos. El calor convectivo y la transferencia de masa tienen lugar tanto por difusión (el movimiento browniano aleatorio de partículas individuales en el fluido) como por advección , en la cual la materia o el calor se transporta mediante el movimiento a mayor escala de las corrientes en el fluido. En el contexto de la transferencia de calor y masa, el término "convección" se usa para referirse a los efectos combinados de la transferencia advectiva y difusiva. [1] Algunas veces el término "convección" se usa para referirse específicamente a " convección por calor libre ""(convección de calor natural) donde el flujo de masa en un fluido se debe a las diferencias en la flotabilidad inducidas por la temperatura, a diferencia de la" convección de calor forzado "donde otras fuerzas además de la flotabilidad (como la bomba o el ventilador) mueven el fluido. Sin embargo, en Mecánica, el uso correcto de la palabra "convección" es el sentido más general, y los diferentes tipos de convección deben ser más calificados, para mayor claridad.
La convección se puede calificar en términos de ser natural, forzada, gravitatoria, granular o termomagnética . También se puede decir que se debe a la combustión , la acción capilar o los efectos de Marangoni y Weissenberg . La transferencia de calor por convección natural desempeña un papel en la estructura de la atmósfera terrestre , sus océanos y su manto. Las células convectivas discretas en la atmósfera se pueden ver como nubes, con una convección más fuerte que produce tormentas eléctricas . La convección natural también desempeña un papel en la física estelar.
Terminología [ editar ]
La palabra convección puede tener usos ligeramente diferentes pero relacionados en diferentes contextos o aplicaciones científicos o de ingeniería. El sentido más amplio está en la mecánica de fluidos , donde la convección se refiere al movimiento del fluido independientemente de la causa. [2] [3] Sin embargo, en termodinámica, la "convección" a menudo se refiere específicamente a la transferencia de calor por convección. [4]
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Ejemplos y aplicaciones de convección [ editar ]
La convección se produce a gran escala en atmósferas , océanos, mantos planetarios y proporciona el mecanismo de transferencia de calor para una gran parte de los interiores más externos de nuestro sol y todas las estrellas. El movimiento de fluidos durante la convección puede ser invisiblemente lento, o puede ser obvio y rápido, como en un huracán . En escalas astronómicas, se piensa que la convección de gas y polvo ocurre en los discos de acreción de los agujeros negros , a velocidades que pueden acercarse mucho a la de la luz.
Transferencia de calor [ editar ]
La transferencia de calor por convección es un mecanismo de transferencia de calor que se produce debido al movimiento masivo (movimiento observable) de los fluidos. [5] El calor es la entidad de interés que se advierte (transporta) y difunde (dispersa). Esto se puede contrastar con la transferencia de calor conductora , que es la transferencia de energía por vibraciones a nivel molecular a través de un sólido o fluido, y la transferencia de calor por radiación , la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas .
El calor se transfiere por convección en numerosos ejemplos de flujo de fluidos que ocurren naturalmente, como el viento, las corrientes oceánicas y los movimientos dentro del manto de la Tierra. La convección también se utiliza en las prácticas de ingeniería de hogares, procesos industriales, refrigeración de equipos, etc.
La tasa de transferencia de calor por convección puede mejorarse mediante el uso de un disipador de calor , a menudo junto con un ventilador. Por ejemplo, una CPU de computadora típica tendrá un ventilador específico para garantizar que su temperatura de funcionamiento se mantenga dentro de los límites tolerables.
Celdas de convección [ editar ]
Una célula de convección , también conocida como célula de Bénard es un patrón de flujo de fluido característico en muchos sistemas de convección. Un cuerpo creciente de fluido típicamente pierde calor porque encuentra una superficie fría. En líquido, esto ocurre porque intercambia calor con líquido más frío a través del intercambio directo. En el ejemplo de la atmósfera terrestre, esto ocurre porque irradia calor. Debido a esta pérdida de calor, el fluido se vuelve más denso que el fluido debajo de él, que sigue aumentando. Como no puede descender a través del fluido ascendente, se mueve hacia un lado. A cierta distancia, su fuerza descendente supera la fuerza ascendente debajo de ella, y el fluido comienza a descender. A medida que desciende, vuelve a calentarse y el ciclo se repite.
La circulación atmosférica [ editar ]
La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire, y es un medio por el cual la energía térmica se distribuye en la superficie de la Tierra, junto con el sistema de circulación oceánica mucho más lento (retrasado). La estructura a gran escala de la circulación atmosférica varía de un año a otro, pero la estructura climatológica básica permanece bastante constante.
La circulación latitudinal se produce porque la radiación solar incidente por unidad de área es más alta en el ecuador de calor y disminuye a medida que aumenta la latitud , alcanzando los mínimos en los polos. Consiste en dos celdas de convección primarias, la celda de Hadley y el vórtice polar , y la celda de Hadley experimenta una convección más fuerte debido a la liberación de energía calorífica latente por condensación de vapor de agua a altitudes más altas durante la formación de nubes.
Por otro lado, la circulación longitudinal se produce porque el océano tiene una capacidad de calor específica más alta que la tierra (y también la conductividad térmica, lo que permite que el calor penetre aún más debajo de la superficie) y, por lo tanto, absorbe y libera más calor, pero la temperatura cambia menos. que la tierra Esto trae la brisa marina, aire enfriado por el agua, en tierra durante el día, y transporta la brisa terrestre, aire enfriado por contacto con el suelo, hacia el mar durante la noche. La circulación longitudinal consiste en dos células, la circulación de Walker y El Niño / Oscilación del Sur .
Tiempo [ editar ]
Algunos fenómenos más localizados que el movimiento atmosférico global también se deben a la convección, incluido el viento y parte del ciclo hidrológico . Por ejemplo, un viento foehn es un viento de pendiente descendente que se produce en el lado del viento de una cadena montañosa. Es el resultado del calentamiento adiabático del aire, que ha disminuido la mayor parte de su humedad en las pendientes de barlovento. [6] Debido a las diferentes tasas de pérdida adiabática del aire húmedo y seco, el aire en las pendientes de sotavento se vuelve más cálido que a la misma altura en las pendientes de barlovento.
Una columna térmica (o térmica) es una sección vertical del aire ascendente en las altitudes más bajas de la atmósfera terrestre. Las térmicas son creadas por el calentamiento desigual de la superficie de la Tierra a partir de la radiación solar. El sol calienta el suelo, que a su vez calienta el aire directamente sobre él. El aire más cálido se expande, se vuelve menos denso que la masa de aire circundante y crea una baja térmica . [7] [8]La masa de aire más ligero aumenta y, a medida que lo hace, se enfría por expansión a presiones de aire más bajas. Deja de elevarse cuando se ha enfriado a la misma temperatura que el aire circundante. Asociado con un térmico hay un flujo descendente que rodea la columna térmica. El movimiento hacia abajo del exterior se debe a que el aire más frío se desplaza en la parte superior de la térmica. Otro efecto del clima impulsado por la convección es la brisa marina . [9] [10]
El aire caliente tiene una densidad más baja que el aire frío, por lo que el aire caliente se eleva dentro del aire frío, [11] similar a los globos de aire caliente . [12] Las nubes se forman a medida que el aire relativamente más caliente que transporta la humedad se eleva dentro del aire más frío. A medida que el aire húmedo se eleva, se enfría, causando que parte del vapor de agua en el paquete creciente de aire se condense . [13] Cuando la humedad se condensa, libera energía conocida como calor latente de condensación que permite que el paquete creciente de aire se enfríe menos que el aire que lo rodea, [14] continuando la ascensión de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará lo suficiente como paraSe forman nubes cumulonimbus , que soportan rayos y truenos. Generalmente, las tormentas eléctricas requieren tres condiciones para formar: humedad, una masa de aire inestable y una fuerza de elevación (calor).
Todas las tormentas eléctricas , independientemente del tipo, pasan por tres etapas: la etapa de desarrollo , la etapa de maduración y la etapa de disipación . [15] La tormenta eléctrica promedio tiene un diámetro de 24 km (15 millas). Dependiendo de las condiciones presentes en la atmósfera, estas tres etapas demoran un promedio de 30 minutos. [dieciséis]
Circulación oceánica [ editar ]
La radiación solar afecta a los océanos: el agua caliente del ecuador tiende a circular hacia los polos , mientras que el agua polar fría se dirige hacia el ecuador. Las corrientes superficiales son dictadas inicialmente por las condiciones del viento en la superficie. Los vientos alisios soplan hacia el oeste en los trópicos, [17] y los vientos del oeste soplan hacia el este en latitudes medias. [18] Este patrón de viento aplica una tensión a la superficie del océano subtropical con rizo negativo en todo el hemisferio norte , [19] y el revés en todo el hemisferio sur . El transporte resultante de Sverdrup es hacia el ecuador.[20] Debido a la conservación de la vorticidad potencialcausada por los vientos que se desplazan hacia el polo en laperiferia occidental de la cresta subtropical y el aumento de la vorticidad relativa del agua en movimiento hacia el polo, el transporte se equilibra con una corriente hacia el polo estrecha y acelerada que fluye a lo largo del oeste Límite de la cuenca oceánica, que supera los efectos de la fricción con la corriente fría del límite occidental que se origina en las altas latitudes. [21] El proceso general, conocido como intensificación occidental, hace que las corrientes en el límite occidental de una cuenca oceánica sean más fuertes que las del límite oriental. [22]
A medida que viaja hacia el polo, el agua caliente transportada por la corriente de agua caliente fuerte sufre un enfriamiento evaporativo. El enfriamiento es impulsado por el viento: el viento que se mueve sobre el agua enfría el agua y también provoca la evaporación , dejando una salmuera más salada. En este proceso, el agua se vuelve más salada y más densa. y disminuye en temperatura. Una vez que se forma el hielo marino, las sales se dejan fuera del hielo, un proceso conocido como exclusión de salmuera. [23] Estos dos procesos producen agua que es más densa y más fría. El agua que cruza el océano atlántico del norte se vuelve tan densa que comienza a hundirse a través de agua menos salada y menos densa. (La acción convectiva no es diferente a la de una lámpara de lava ). Esta corriente descendente de agua pesada, fría y densa se convierte en parte de laAguas profundas del Atlántico norte , un arroyo en dirección sur. [24]
La convección del manto [ editar ]
La convección del manto es el movimiento lento y progresivo del manto rocoso de la Tierra causado por las corrientes de convección que transportan el calor desde el interior de la tierra hasta la superficie. [25] Es una de las 3 fuerzas impulsoras que hace que las placas tectónicas se muevan alrededor de la superficie de la Tierra. [26]
La superficie de la Tierra se divide en una serie de placas tectónicasque se crean y consumen continuamente en sus límites de placa opuestos. La creación ( acreción ) ocurre cuando se agrega el manto a los bordes crecientes de una placa. Este material añadido caliente se enfría por conducción y convección de calor. En los bordes de consumo de la placa, el material se contrajo térmicamente para volverse denso y se hunde bajo su propio peso en el proceso de subducción en una zanja oceánica. Este material subducido se hunde a cierta profundidad en el interior de la Tierra donde se prohíbe que se hunda aún más. La corteza oceánica subducida desencadena el volcanismo.
Efecto de pila [ editar ]
El efecto de chimenea o efecto de chimenea es el movimiento del aire dentro y fuera de los edificios, chimeneas, chimeneas de gases de combustión u otros contenedores debido a la flotabilidad. La flotabilidad se produce debido a una diferencia en la densidad del aire del interior al exterior como resultado de las diferencias de temperatura y humedad. Cuanto mayor sea la diferencia térmica y la altura de la estructura, mayor será la fuerza de flotación y, por lo tanto, el efecto de apilamiento. El efecto de pila ayuda a impulsar la ventilación natural y la infiltración. Algunas torres de enfriamiento operan bajo este principio; de manera similar, la torre de corriente ascendente solar es un dispositivo propuesto para generar electricidad en función del efecto de pila.
Física estelar [ editar ]
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La zona de convección de una estrella es el rango de radios en el que la energía se transporta principalmente por convección.
Los gránulos en la fotosfera del Sol son las partes superiores visibles de las células de convección en la fotosfera, causadas por la convección de plasma en la fotosfera. La parte ascendente de los gránulos se encuentra en el centro donde el plasma está más caliente. El borde exterior de los gránulos es más oscuro debido al plasma descendente más frío. Un gránulo típico tiene un diámetro del orden de 1.000 kilómetros y cada uno dura entre 8 y 20 minutos antes de disiparse. Debajo de la fotosfera hay una capa de "supergránulos" mucho más grandes de hasta 30,000 kilómetros de diámetro, con una vida útil de hasta 24 horas.
Mecanismos de convección [ editar ]
La convección puede ocurrir en fluidos en todas las escalas más grandes que unos pocos átomos. Hay una variedad de circunstancias en las que surgen las fuerzas requeridas para la convección natural y forzada, que conducen a diferentes tipos de convección, que se describen a continuación. En términos generales, la convección surge debido a las fuerzas del cuerpo que actúan dentro del fluido, como la gravedad.
Las causas de la convección generalmente se describen como una de "natural" ("libre") o "forzada", aunque también existen otros mecanismos (que se analizan a continuación). Sin embargo, la distinción entre convección natural y forzada es particularmente importante para la transferencia de calor por convección .
Convección natural [ editar ]
La convección natural , o la convección libre , se produce debido a las diferencias de temperatura que afectan la densidad y, por lo tanto, la flotabilidad relativa del fluido. Los componentes más pesados (más densos) caerán, mientras que los componentes más livianos (menos densos) aumentarán, lo que provocará un movimiento masivo del fluido. La convección natural solo puede ocurrir, por lo tanto, en un campo gravitatorio. Un ejemplo común de convección natural es el aumento del humo de un incendio. Se puede ver en una olla de agua hirviendo en la que el agua caliente y menos densa en la capa inferior se mueve hacia arriba en forma de penachos, y el agua fría y más densa cerca de la parte superior de la olla también se hunde.
La convección natural será más probable y más rápida con una mayor variación en la densidad entre los dos fluidos, una mayor aceleración debido a la gravedad que impulsa la convección o una mayor distancia a través del medio de convección. La convección natural será menos probable y más rápida con una difusión más rápida (difundiendo así el gradiente térmico que causa la convección) o un fluido más viscoso (pegajoso).
Tenga en cuenta que las diferencias en la flotabilidad dentro de un fluido pueden surgir por razones distintas a las variaciones de temperatura, en cuyo caso el movimiento del fluido se denomina convección gravitacional (ver más abajo). Sin embargo, todos los tipos de convección flotante, incluida la convección natural, no se producen en entornos de microgravedad . Todos requieren la presencia de un entorno que experimente fuerza g ( aceleración adecuada ).
Convección forzada [ editar ]
En la convección forzada , también llamada advección de calor , el movimiento del fluido se debe a fuerzas superficiales externas , como un ventilador o una bomba. La convección forzada se usa típicamente para aumentar la tasa de intercambio de calor. Muchos tipos de mezcla también utilizan la convección forzada para distribuir una sustancia dentro de otra. La convección forzada también se produce como un subproducto de otros procesos, como la acción de una hélice en un fluido o un calentamiento aerodinámico . Los sistemas de radiadores fluidos, y también el calentamiento y enfriamiento de partes del cuerpo por la circulación sanguínea, son otros ejemplos familiares de convección forzada.
La convección forzada puede ocurrir por medios naturales, como cuando el calor de un incendio provoca la expansión del flujo de aire y aire a granel por este medio. En microgravedad, tal flujo (que ocurre en todas las direcciones) junto con la difusión es el único medio por el cual los incendios pueden extraer oxígeno fresco para mantenerse. La onda de choque que transfiere el calor y la masa de las explosiones también es un tipo de convección forzada.
Aunque la convección forzada por la expansión de gas térmico en cero-g no alimenta un incendio, así como la convección natural en un campo de gravedad, algunos tipos de convección forzada artificial son mucho más eficientes que la convección libre, ya que no están limitados por mecanismos naturales. Por ejemplo, un horno de convección funciona por convección forzada, ya que un ventilador que circula rápidamente hace que el aire caliente entre en los alimentos más rápido de lo que ocurre naturalmente debido al simple calentamiento sin el ventilador.
Convección gravitacional o boyante [ editar ]
La convección gravitacional es un tipo de convección natural inducida por variaciones de flotabilidad que resultan de propiedades del material distintas de la temperatura. Típicamente esto es causado por una composición variable del fluido. Si la propiedad variable es un gradiente de concentración, se conoce como convección solutal . [27] Por ejemplo, la convección gravitacional se puede ver en la difusión de una fuente de sal seca hacia abajo en el suelo húmedo debido a la flotabilidad del agua dulce en la solución salina. [28]
La salinidad variable en el agua y el contenido variable de agua en las masas de aire son causas frecuentes de convección en los océanos y en la atmósfera que no involucran calor, o también implican factores de densidad compositiva adicionales distintos a los cambios de densidad de la expansión térmica (ver circulación termohalina). De manera similar, la composición variable en el interior de la Tierra que aún no ha alcanzado la estabilidad máxima y la energía mínima (en otras palabras, con las partes más densas más profundas) continúa causando una fracción de la convección de la roca fluida y el metal fundido en el interior de la Tierra (ver más abajo) .
La convección gravitacional, como la convección térmica natural, también requiere un entorno de fuerza g para que ocurra.
Convección granular [ editar ]
La convección inducida por vibración se produce en polvos y materiales granulados en recipientes sujetos a vibraciones donde un eje de vibración es paralelo a la fuerza de la gravedad. Cuando el contenedor acelera hacia arriba, la parte inferior del contenedor empuja todo el contenido hacia arriba. En contraste, cuando el contenedor acelera hacia abajo, los lados del contenedor empujan el material adyacente hacia abajo por fricción, pero el material más alejado de los lados se ve menos afectado. El resultado neto es una circulación lenta de partículas hacia abajo en los lados y hacia arriba en el medio.
Si el contenedor contiene partículas de diferentes tamaños, la región de movimiento hacia abajo en los lados es a menudo más estrecha que las partículas más grandes. Por lo tanto, las partículas más grandes tienden a clasificarse en la parte superior de dicha mezcla. Esta es una explicación posible del efecto de la nuez de Brasil .
Convección de estado sólido en hielo [ editar ]
Se cree que la convección de hielo en Plutón se produce en una mezcla suave de hielo de nitrógeno y hielo de monóxido de carbono . También se ha propuesto para Europa , [29] y otros cuerpos en el sistema solar exterior. [30]
Convección termomagnético [ editar ]
La convección termomagnética puede ocurrir cuando se impone un campo magnético externo en un ferrofluidocon susceptibilidad magnética variable . En presencia de un gradiente de temperatura, esto resulta en una fuerza magnética no uniforme del cuerpo, que conduce al movimiento del fluido. Un ferrofluido es un líquido que se magnetiza fuertemente en presencia de un campo magnético .
Esta forma de transferencia de calor puede ser útil para los casos en los que la convección convencional no proporciona una transferencia de calor adecuada, por ejemplo, en dispositivos de microescala en miniatura o en condiciones de gravedad reducida.
Acción capilar [ editar ]
La acción capilar es un fenómeno en el que el líquido se eleva espontáneamente en un espacio estrecho, como un tubo delgado o en materiales porosos. Este efecto puede hacer que los líquidos fluyan contra la fuerza de la gravedad. Ocurre debido a las fuerzas atractivas intermoleculares entre las superficies circundantes líquidas y sólidas; Si el diámetro del tubo es suficientemente pequeño, entonces la combinación de la tensión superficial y las fuerzas de adhesión entre el líquido y el recipiente actúan para levantar el líquido.
Efecto Marangoni [ editar ]
El efecto Marangoni es la convección del fluido a lo largo de una interfaz entre diferentes sustancias debido a las variaciones en la tensión superficial. La tensión superficial puede variar debido a la composición no homogénea de las sustancias o la dependencia de la temperatura de las fuerzas de tensión superficial. En este último caso el efecto se conoce como convección termo-capilar .
Efecto Weissenberg [ editar ]
El efecto Weissenberg es un fenómeno que ocurre cuando una varilla giratoria se coloca en una solución de polímero líquido . Los enredos hacen que las cadenas de polímero se atraigan hacia la varilla en lugar de lanzarse hacia afuera como sucedería con un fluido ordinario (es decir, agua). [ cita requerida ]
Combustión [ editar ]
En una gravedad cero ambiente, no puede haber ninguna fuerzas de flotabilidad, y por lo tanto no hay convección natural (libre) es posible, por lo llamas en muchas circunstancias sin gravedad ahogan en sus propios gases residuales. Sin embargo, las llamas pueden mantenerse con cualquier tipo de convección forzada (brisa); o (en ambientes con alto contenido de oxígeno en ambientes de gases "estáticos") enteramente a partir de la convección forzada mínima que se produce cuando la expansión inducida por el calor (no la flotabilidad) de los gases permite la ventilación de la llama, ya que los gases residuales se mueven hacia afuera y se enfrían, y en niveles altos El gas de oxígeno se mueve para absorber las zonas de baja presión creadas cuando el agua de las llamas de escape se condensa. [31]
Modelos matemáticos de convección [ editar ]
Matemáticamente, la convección se puede describir mediante la ecuación de convección-difusión , también conocida como la ecuación de transporte escalar genérica .
Cuantificación naturales frente a convección forzada [ editar ]
En casos de convección mixta (naturales y forzados que ocurren juntos), a menudo nos gustaría saber qué parte de la convección se debe a restricciones externas, como la velocidad del fluido en la bomba, y cuánto se debe a la convección natural que ocurre en el sistema. .
Las magnitudes relativas del número de Grashof y el cuadrado del número de Reynolds determinan qué forma de convección domina. Si, la convección forzada puede ser descuidada, mientras que si , la convección natural puede ser descuidada. Si la relación, conocida como el número de Richardson , es aproximadamente uno, entonces se debe tener en cuenta tanto la convección forzada como la natural.
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