Si acerca la mano a una lámpara eléctrica encendida o coloca la palma de la mano sobre una estufa caliente, puede sentir el movimiento de las corrientes de aire caliente. El mismo efecto se puede observar cuando una hoja de papel se hace oscilar sobre una llama abierta. Ambos efectos se explican por convección.
¿Qué es?
El fenómeno de la convección se basa en la expansión de una sustancia más fría en contacto con masas calientes. En tales circunstancias, la sustancia calentada pierde su densidad y se vuelve más liviana en comparación con el espacio frío que la rodea. Más precisamente, esta característica del fenómeno corresponde al movimiento de los flujos de calor cuando se calienta el agua.
El movimiento de las moléculas en direcciones opuestas bajo la influencia del calor es exactamente en lo que se basa la convección. La radiación y la conductividad térmica son procesos similares, pero se refieren principalmente a la transferencia de energía térmica en los sólidos.
Ejemplos vívidos de convección: el movimiento del aire caliente en el medio de una habitación con calefacciónelectrodomésticos, cuando las corrientes calientes se mueven debajo del techo y el aire frío desciende a la superficie misma del piso. Por eso, cuando la calefacción está encendida, el aire de la parte superior de la habitación es notablemente más cálido que el de la parte inferior de la habitación.
Ley de Arquímedes y expansión térmica de los cuerpos físicos
Para entender qué es la convección natural, es suficiente considerar el proceso usando el ejemplo de la ley de Arquímedes y el fenómeno de expansión de los cuerpos bajo la influencia de la radiación térmica. Entonces, de acuerdo con la ley, un aumento de temperatura conduce necesariamente a un aumento en el volumen de líquido. El líquido calentado desde abajo en los contenedores sube más alto y la humedad de mayor densidad, respectivamente, se mueve más abajo. En el caso del calentamiento desde arriba, los líquidos más o menos densos permanecerán en su lugar, en cuyo caso no se producirá el fenómeno.
El surgimiento del concepto
El término "convección" fue propuesto por primera vez por el científico inglés William Prout en 1834. Se utilizó para describir el movimiento de masas térmicas en líquidos calentados y en movimiento.
Los primeros estudios teóricos del fenómeno de la convección comenzaron recién en 1916. Durante los experimentos, se encontró que la transición de difusión a convección en líquidos calentados desde abajo ocurre cuando se alcanzan ciertos valores críticos de temperatura. Más tarde, este valor se definió como el "número de Roel". Fue llamado así por el investigador que lo estudió. Los resultados de los experimentos permitieron explicar el movimiento de los flujos de calor bajo la influencia de las fuerzas de Arquímedes.
Tipos de convección
Hay varios tipos del fenómeno que describimos: convección natural y forzada. Un ejemplo del movimiento de flujos de aire caliente y frío en medio de una habitación es la mejor manera de caracterizar el proceso de convección natural. En cuanto al forzado, se puede observar al mezclar el líquido con una cuchara, bomba o agitador.
La convección es imposible cuando los sólidos se calientan. Esto se debe a la atracción mutua bastante fuerte durante la vibración de sus partículas sólidas. Como resultado del calentamiento de cuerpos de estructura sólida, no se produce convección ni radiación. La conductividad térmica reemplaza estos fenómenos en dichos cuerpos y contribuye a la transferencia de energía térmica.
La llamada convección capilar es un tipo aparte. El proceso ocurre cuando la temperatura cambia durante el movimiento del fluido a través de las tuberías. En condiciones naturales, la importancia de tal convección, junto con la convección natural y forzada, es extremadamente insignificante. Sin embargo, en la tecnología espacial, la convección capilar, la radiación y la conductividad térmica de los materiales se convierten en factores muy importantes. Incluso los movimientos convectivos más débiles en condiciones de ingravidez dificultan la implementación de algunas tareas técnicas.
Convección en las capas de la corteza terrestre
Los procesos de convección están íntimamente relacionados con la formación natural de sustancias gaseosas en el espesor de la corteza terrestre. El globo puede considerarse como una esfera que consta de varias capas concéntricas. En el mismo centro hay un núcleo caliente masivo, que es una masa líquida de alta densidad que contiene hierro,níquel, así como otros metales.
Las capas que rodean el núcleo de la tierra son la litosfera y el manto semilíquido. La capa superior del globo es directamente la corteza terrestre. La litosfera está formada por placas individuales que se mueven libremente a lo largo de la superficie del manto líquido. En el curso del calentamiento desigual de varias partes del manto y las rocas, que difieren en diferente composición y densidad, se forman flujos convectivos. Es bajo la influencia de tales flujos que se produce la transformación natural del suelo oceánico y el movimiento de los continentes portadores.
Diferencias entre convección y conducción de calor
La conductividad térmica debe entenderse como la capacidad de los cuerpos físicos para transferir calor a través del movimiento de compuestos atómicos y moleculares. Los metales son excelentes conductores del calor, ya que sus moléculas están en estrecho contacto entre sí. Por el contrario, las sustancias gaseosas y volátiles actúan como malos conductores del calor.
¿Cómo ocurre la convección? La física del proceso se basa en la transferencia de calor debido al libre movimiento de la masa de moléculas de sustancias. A su vez, la conductividad térmica consiste únicamente en la transferencia de energía entre las partículas constituyentes de un cuerpo físico. Sin embargo, ambos procesos son imposibles sin la presencia de partículas de materia.
Ejemplos del fenómeno
El ejemplo más simple y comprensible de convección es el proceso de un refrigerador ordinario. CirculaciónEl gas freón enfriado a través de las tuberías de la cámara de refrigeración conduce a una disminución de la temperatura de las capas superiores de aire. En consecuencia, al ser reemplazadas por corrientes más cálidas, las frías se hunden, enfriando así los productos.
La rejilla ubicada en el panel posterior del refrigerador desempeña el papel de un elemento que facilita la eliminación del aire caliente que se forma en el compresor de la unidad durante la compresión del gas. El enfriamiento de la red también se basa en mecanismos convectivos. Por esta razón, no se recomienda abarrotar el espacio detrás del refrigerador. Después de todo, solo en este caso, el enfriamiento puede ocurrir sin dificultad.
Otros ejemplos de convección se pueden ver observando un fenómeno tan natural como el movimiento del viento. Calentándose sobre continentes áridos y enfriándose sobre terrenos más ásperos, las corrientes de aire comienzan a desplazarse unas a otras, haciendo que se muevan, además de mover humedad y energía.
La posibilidad de pájaros planeadores y planeadores está ligada a la convección. Las masas de aire menos densas y más cálidas, con un calentamiento desigual cerca de la superficie de la Tierra, conducen a la formación de corrientes ascendentes, lo que contribuye al proceso de ascenso. Para superar las distancias máximas sin el gasto de fuerza y energía, las aves necesitan la capacidad de encontrar tales corrientes.
Buenos ejemplos de convección son la formación de humo en chimeneas y cráteres volcánicos. El movimiento ascendente del humo se basa en su mayor temperatura y menor densidad en comparación con su entorno. A medida que el humo se enfría, se asienta gradualmente en las capas inferiores de la atmósfera. Exactamente por esolas tuberías industriales, a través de las cuales se liberan sustancias nocivas a la atmósfera, estén lo más altas posible.
Los ejemplos más comunes de convección en la naturaleza y la tecnología
Entre los ejemplos más sencillos y fáciles de entender que se pueden observar en la naturaleza, la vida cotidiana y la tecnología, debemos destacar:
- caudal de aire durante el funcionamiento de las baterías de calefacción doméstica;
- formación y movimiento de nubes;
- el proceso de movimiento del viento, los monzones y las brisas;
- desplazamiento de las placas terrestres tectónicas;
- procesos que conducen a la formación de gas libre.
Cocinar
Cada vez más, el fenómeno de la convección se realiza en los electrodomésticos modernos, en particular en los hornos. El gabinete de gas con convección le permite cocinar diferentes platos al mismo tiempo en niveles separados a diferentes temperaturas. Esto elimina por completo la mezcla de sabores y olores.
El horno tradicional se basa en un solo quemador para calentar el aire, lo que resulta en una distribución desigual del calor. Debido al movimiento intencionado de las corrientes de aire caliente con la ayuda de un ventilador especializado, los platos en un horno de convección resultan más jugosos y mejor horneados. Dichos dispositivos se calientan más rápido, lo que reduce el tiempo necesario para cocinar.
Por supuesto, para las amas de casa que cocinan en el horno pocas veces al año, un electrodoméstico conla función de convección no puede llamarse una técnica de primera necesidad. Sin embargo, para aquellos que no pueden vivir sin experimentos culinarios, este dispositivo será simplemente indispensable en la cocina.
Esperamos que el material presentado le haya sido de utilidad. ¡Buena suerte!
