Dai temporali ai popcorn: ecco cos’è la convezione

Alcuni fenomeni scientifici svolgono un ruolo significativo nella nostra vita quotidiana, ma il più delle volte non siamo consapevoli della loro azione. Prendiamo l’esempio del caffè, che per molti è la bevanda mattutina preferita. Ti sei mai chiesto cosa dia al caffè i suoi vapori caldi ed energetici? È la convezione, lo stesso processo scientifico che permette alle mongolfiere di salire nel cielo.

In natura, un processo di trasferimento di calore o di energia avviene per convezione. La convezione è il movimento all’interno di un fluido – un liquido o un gas, che è guidato da differenze di temperatura. La convezione trasferisce l’energia termica da un ambiente più caldo ad un ambiente più freddo.

Cosa causa la convezione?

Le particelle nei liquidi e nei gas si muovono più velocemente quando sono riscaldate rispetto a quando sono fredde, quindi le particelle occupano più volume poiché lo spazio tra le particelle si allarga con l’aumento del movimento (le particelle stesse rimangono della stessa dimensione).

Questo aumento di temperatura e volume provoca una diminuzione della densità del fluido. Il fluido a bassa densità tende a salire verso le aree più fredde e più dense del fluido stesso.

Man mano che il fluido a bassa densità sale e si raffredda, diventa di nuovo più denso e sprofonda. In questo modo  si creano correnti convettive che trasferiscono calore da un luogo all’altro.

Questo è anche il motivo per cui i loft delle nostre case tendono ad essere più caldi del piano di sotto.

La convezione generalmente non avviene nei solidi perché la struttura molecolare più rigida non consente il flusso delle particelle. Nei liquidi viscosi la convezione avviene, ma a una velocità inferiore rispetto ai liquidi più fluidi e nei gas.

Legge di Newton del raffreddamento e il coefficiente di scambio termico

Prima che si sapesse che la convezione portava al trasferimento di calore, era considerata una delle tante caratteristiche dei fluidi. Nel 1701, Sir Isaac Newton dedusse la relazione tra convezione e trasferimento di calore osservando empiricamente il raffreddamento convettivo dei corpi caldi. Egli postulò che il tasso di perdita di calore da parte di un corpo è direttamente proporzionale alla temperatura in eccesso del corpo in relazione all’ambiente circostante.

Newton ha anche introdotto il coefficiente di scambio termico convettivo (h) e ha derivato la legge del raffreddamento per spiegare quantitativamente il motivo per cui gli oggetti diventano più freddi nell’aria.

Secondo la legge del raffreddamento di Newton, la velocità di perdita di calore di un corpo (dQ / dt, dove Q = la variazione di temperatura) è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura (ΔT = ( T ₂  – T ₁), dove  T ₂  è la temperatura del fluido e T ₁  è la temperatura dell’ambiente circostante, tra l’oggetto e l’ambiente circostante.

Newton definì il coefficiente di scambio termico (h) come il tasso di scambio termico per unità di superficie per unità di temperatura.

h = Q/AT

Perciò,

Q = hAΔT

Qui Q = Tasso di scambio termico h = Coefficiente di scambio termico per convezione A = Superficie esposta ΔT = Differenza di temperatura

Durante i suoi esperimenti, Newton assunse la temperatura dell’ambiente circostante come un valore costante, e questo è anche considerato il più grande limite della legge di raffreddamento di Newton.

Tipi di convezione

La convezione può essere classificata in due categorie, convezione naturale e convezione forzata. Tuttavia, nelle situazioni del mondo reale, la convezione può verificarsi anche in entrambe le forme contemporaneamente, con conseguente convezione mista.

Convezione naturale

La convezione naturale avviene quando il trasferimento di calore non è generato da una fonte esterna. Invece, il movimento del fluido è causato dalla galleggiabilità, la differenza nella densità del fluido che si verifica a causa dei gradienti di temperatura.

La formazione delle nuvole è un classico esempio di convezione naturale. Mentre il sole riscalda la superficie terrestre, l’aria sopra di esso si riscalda e sale. Mentre l’aria continua a salire, si raffredda e si formano i cumuli.

Una convezione più forte può provocare lo sviluppo di nuvole molto più grandi con l’aria che sale più in alto prima di raffreddarsi, producendo a volte cumulonembi e persino temporali.

Convezione forzata

Quando il movimento in un fluido è indotto da dispositivi esterni come una pompa o un ventilatore, questo processo è chiamato convezione forzata. Generalmente, quando sono richieste grandi quantità di trasferimento di calore durante un processo, viene impiegata la convezione forzata.

La convezione forzata consente a un flusso di fluido di raffreddare o riscaldare un altro flusso di fluido, e quindi ha reso possibili alcune delle invenzioni più comunemente utilizzate come condizionatori d’aria, sistemi di riscaldamento, sistemi di ventilazione, ecc.

Differenza tra convezione, conduzione e irraggiamento

Oltre alla convezione, conduzione e irraggiamento sono altre due modalità di trasferimento del calore che esistono in natura.

Ciascuno di questi meccanismi svolge un ruolo importante nel processo di trasferimento di energia che avviene nell’atmosfera che ci circonda. Ci sono diverse differenze che esistono tra i tre meccanismi che costituiscono la base su cui si distinguono.

1. Durante la convezione, il trasferimento di calore avviene attraverso fluidi (liquidi o gas) ma nel caso di conduzione, il trasferimento di calore avviene attraverso i solidi e quando si tratta di radiazione, le onde elettromagnetiche svolgono il processo di trasferimento di calore.
2. La differenza nelle densità molecolari gioca un ruolo nella convezione, ma la conduzione è causata principalmente dalla differenza di temperatura. In molti casi, la conduzione è seguita dalla convezione, ad esempio quando si fa bollire l’acqua, l’acqua si riscalda per conduzione e quindi le molecole d’acqua a bassa densità si sollevano a causa della convezione.
3. La radiazione invece è emessa da tutti gli oggetti che hanno una temperatura maggiore di 0 Kelvin. Il riscaldamento della Terra da parte del Sole e il riscaldamento di una stanza da un focolare aperto sono entrambi esempi di trasferimento di calore per irraggiamento.
4. La velocità di trasferimento del calore è più veloce nel caso della radiazione perché la luce viaggia più velocemente di qualsiasi altra forma di energia, è più lenta nel caso della conduzione, dove avviene il trasferimento di calore tra i solidi a causa di collisioni molecolari.
5. La conduzione e la convezione non seguono la legge della riflessione e della rifrazione, ma la radiazione segue lo stesso.
6. Alcuni esempi comuni di conduzione riguardano il riscaldamento dei muscoli mediante un termoforo, gli utensili di metallo che si scaldano quando vi viene versato un liquido caldo, la conduzione di elettricità che ci permette di goderci la televisione, ecc. Un frigorifero è un esempio di convezione, mentre l’energia che riceviamo dal Sole e da una macchina a raggi X sono esempi di radiazioni.

Convezione nel nostro pianeta

Quando il nostro pianeta si è formato, era costituito da rocce fuse calde con temperature superiori a migliaia di gradi che con il passare degli anni si sono gradualmente raffreddate.

Secondo la National Oceanic and Atmospheric Administration degli Stati Uniti, quando si è formata la Luna, la temperatura della terra avrebbe potuto essere di circa 2.300 Kelvin (circa 2027 gradi Celsius).

La Terra ha una temperatura superficiale fresca ora, ma conserva ancora il calore dal momento della sua formazione. Quando la Terra iniziò a prendere forma circa 4,5 miliardi di anni fa, ferro e nichel si separarono rapidamente da altre rocce e minerali per formare il nucleo del nuovo pianeta. Il materiale fuso che circondava il nucleo costituiva il mantello che, nel corso di milioni di anni, si è raffreddato e solidificato.

Sebbene sia per lo più solido, la convezione avviene nel mantello mentre il calore viene trasferito dal nucleo incandescente alla litosfera fragile. Poiché il mantello viene riscaldato dal basso e raffreddato dall’alto, la sua temperatura complessiva diminuisce per lunghi periodi di tempo quando avviene la convezione del mantello.

Secondo un modello, esiste un sistema convettivo tra strati limite freddi e caldi, chiamati anche strati limite termici (TBL). La convezione termica che avviene attraverso i grandi gradienti termici attraverso i TBL è il meccanismo per il trasferimento di calore. L’energia termica si muove attraverso i TBL, dentro e fuori dal mantello per convezione.

Le correnti di convezione trasferiscono il magma caldo e galleggiante alla litosfera (la superficie della Terra) ai bordi delle placche e ai punti caldi.

Le correnti di convezione trasferiscono anche materiale più denso e più freddo dalla crosta all’interno della Terra attraverso il processo di subduzione. Questo processo di convezione del mantello è ciò che fa muovere le placche tettoniche intorno alla superficie terrestre.

Pertanto, il mantello funge da mezzo  di trasferimento del calore all’interno del pianeta e porta a varie importanti azioni geologiche come eruzioni vulcaniche, movimenti nelle placche tettoniche, rifting, terremoti, ecc.

La teoria della convezione all’interno del mantello terrestre fu originariamente proposta da Arthur Holmes, un geologo britannico che sostenne e sviluppò ulteriormente la teoria della deriva dei continenti di Alfred Wegener.

Holmes  propose che il mantello si muove perché contiene celle di convezione che dissipano il   calore radioattivo e spostano la crosta in superficie. Contribuì anche alle ricerche oceanografiche degli anni Cinquanta, che introdussero il fenomeno dell’allargamento dei fondali.

Il meccanismo di convezione del mantello ha portato alla diminuzione della temperatura terrestre nel corso di miliardi di anni, ed è diventato favorevole a varie attività chimiche che alla fine hanno portato alla vita sul pianeta. 

Come animali a sangue caldo, impieghiamo varie tecniche nella nostra vita quotidiana per regolare le condizioni esterne secondo i nostri requisiti interni del corpo. La convezione ci aiuta in molti modi a raggiungere lo stesso risultato, ci consente di trasformare i fluidi intorno a noi più freddi o più caldi secondo il nostro comfort e ci sono numerosi esempi per dimostrarlo.

• Un frigorifero funziona utilizzando il processo di convezione. Il gas refrigerante viene fatto circolare in linee di rame attraverso i vani frigorifero e congelatore. Le linee e il gas assorbono il calore nel frigorifero e nel congelatore e il gas viene ricircolato al compressore. Man mano che il gas viene compresso, scarica nell’ambiente il calore che ha assorbito.
• La macchina ad aria calda utilizzata per preparare i popcorn si basa sul principio della convezione. È dotata di ventola, un elemento riscaldante e sfiato. Quando metti i chicchi di popcorn all’interno del popper e lo accendi, l’elemento riscaldante riscalda l’aria, la ventola quindi la dirige sui popcorn. Quando quest’aria entra in contatto con i chicchi, li scalda fino a quando esplodono diventando pop corn.
• Tè, caffè, zuppa e molte altre bevande calde che si bevono per rinfrescarsi o confortarsi non possono essere preparate senza convezione. A parte questo, i forni a convezione che usi per cucinare i tuoi biscotti preferiti utilizzano anche lo stesso principio di trasferimento di energia che viene impiegato dal soffiatore ad aria calda.
• I radiatori che mantengono la tua casa più calda durante gli inverni creano una corrente di convezione all’interno del tuo spazio abitativo. L’aria calda che producono sale, spostando l’aria più fresca, che affonda e viene a sua volta riscaldata dal radiatore.
• Anche la convezione può svolgere un ruolo nello scioglimento del ghiaccio. Quando l’aria calda soffia sulla superficie del ghiaccio, il calore viene trasferito al ghiaccio per convezione e il ghiaccio inizia a sciogliersi.

Il principio della convezione è evidente anche nelle mongolfiere, nelle piogge, nei motori raffreddati ad aria, nella brezza marina, nella brezza terrestre, nei temporali, ecc. È un fenomeno importante che influenza il nostro ambiente, il clima e lo stile di vita.