CONVECCIÓ: CARACTERÍSTIQUES, EXEMPLES, APLICACIONS - FÍSICA - 2025

La convecció és un dels tres mecanismes en els quals es transfereix calor des d'una zona més calenta cap a una altra més freda. Té lloc a causa de el moviment de la massa d'un fluid, que pot ser líquid o un gas. En tot cas es requereix sempre d'un mitjà material perquè aquest mecanisme es pugui donar.

Com més ràpid sigui el moviment de l'fluid en qüestió, més ràpida serà la transferència d'energia tèrmica entre zones de diferent temperatura. Això passa contínuament amb les masses d'aire atmosfèric: la flotabilitat s'encarrega que les més calentes i menys denses pugin mentre les més fredes i denses descendeixen.

Figura 1. Una estada es refresca obrint la porta, ja que l'aire calent (fletxa vermella) i menys dens ascendeix i s'escapa de la mateixa. Font: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Un exemple d'això és l'habitació tancada de la imatge, que es refresca immediatament quant s'obren les portes o les finestres, ja que l'aire calent de l'interior escapa fins i tot per les escletxes, donant pas a l'aire fresc de l'exterior que queda més a sota.

Tipus de convecció

Convecció natural i forçada

Figura 2. Exemples de convecció forçada i convecció natural. Font: Cengel, I. termodinàmica.

La convecció pot ser natural o forçada. En el primer cas el fluid es mou per si mateix, com a l'obrir la porta de l'habitació, mentre que en el segon se l'obliga mitjançant un ventilador o una bomba, per exemple.

Difusió i advecció

També poden donar-se dues variants: difusió i advecció. En la difusió les molècules de el fluid es mouen de forma més o menys aleatòria i la transmissió de calor és lenta.

En canvi en l'advecció es mou una bona quantitat de massa de fluid, el que pot aconseguir forçant la convecció amb un ventilador, per exemple. Però l'avantatge de l'advecció és que és molt més ràpida que la difusió.

¿

Un model matemàtic senzill de transferència de calor per convecció és la llei de refredament de Newton. Considerem una superfície calenta d'àrea A, envoltada d'aire més fred, de manera que la diferència de temperatura sigui petita.

Truquem Q a la calor transferit i t a el temps. La taxa a la qual la calor es transfereix és dQ / dt o derivada de la funció Q (t) respecte a el temps.

Com la calor és energia tèrmica, les seves unitats en el Sistema Internacional són joules (J), per tant la taxa de transferència ve en joules / segon, que són watts o watts (W).

Aquesta taxa és directament proporcional a la diferència de temperatura entre l'objecte calent i el medi, denotada com At i també a l'àrea superficial A de l'objecte:

La constant de proporcionalitat s'anomena h, que és el coeficient de transmissió de calor per convecció i es determina experimentalment. Les seves unitats en Sistema Internacional (SI) són W / m ². K, però és habitual trobar-lo en termes de graus Celsius o centígrads.

És important destacar que aquest coeficient no és una propietat de fluid, ja que depèn de diverses variables, com són la geometria de la superfície, la velocitat de el fluid i altres característiques.

Combinant tot l'abans dit, matemàticament la llei de refredament de Newton adquireix aquesta forma:

Aplicació de la llei de refredament de Newton

Una persona es per enmig d'una habitació 20 ° C, a través de la qual bufa una lleu brisa. Quina és la taxa de calor que la persona transmet a l'ambient per convecció? Supose que l'àrea superficial exposada és 1.6 m ² i la temperatura superficial de la pell és de 29 ºC.

Dada: el coeficient de transferència de calor per convecció en aquest cas és de 6 W / m ². ºC

solució

La persona pot transmetre calor a l'aire que l'envolta, ja que aquest es troba en moviment a l'bufar la brisa. Per trobar la taxa de transferència dQ / dt, simplement es substitueixen els valors en l'equació de Newton per al refredament:

dQ / dt = 6 W / m ². ºC x 1.6 m ² x (29 ºC - 20 ºC) = 86.4 W.

Exemples de convecció

Escalfar les mans en una foguera

És comú escalfar-se les mans apropant-les a una foguera o a la torradora calent, ja que l'aire que envolta la font de calor s'escalfa al seu torn i s'expandeix, elevant-se per ser menys dens. Mentre circula, aquest aire calent envolta i escalfa les mans.

Figura 3. Una forma d'escalfar les mans és a través del corrent de convecció originada en l'aire per la foguera. Font: Pxfuel.

Flux d'aire a la costa

A la costa, el mar està més fred que la terra, així que l'aire que està sobre la terra s'escalfa i puja, mentre que el més fred arriba i s'estableix en l'espai deixat per aquest altre a l'ascendir.

A això se li denomina cèl·lula de convecció i és la raó per la qual se sent més fresc quan es mira a la mar i la brisa bufa contra la cara en un dia calorós. A la nit passa a contra, la brisa fresca ve des de terra.

El cicle de l'aigua

La convecció natural ocorre en l'aire de les costes oceàniques, mitjançant el cicle hidrològic, en el qual l'aigua s'escalfa i s'evapora gràcies a la radiació solar. El vapor d'aigua així format puja, es refreda i es condensa formant núvols, les masses augmenten i ascendeixen per convecció.

A l'augmentar la mida de les gotes d'aigua arriba un moment en què l'aigua es precipita en forma de pluges, sòlides o líquides, segons la temperatura.

Bullir aigua en un recipient

Quan es col·loca l'aigua a la tetera o la cassola, les capes més properes a el fons s'escalfen primer, ja que la flama o la calor de la fogons està més proper. Després l'aigua s'expandeix i la seva densitat disminueix, per tant puja i l'aigua més freda pren el seu lloc en el fons de l'recipient.

Figura 4. Escalfament d'aigua per convecció. Font: wikimedia Commons. User: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

D'aquesta manera totes les capes circulen ràpidament i tota la massa d'aigua s'escalfa. Aquest és un bon exemple d'advecció.

Generació de vents

La convecció en les masses d'aire, juntament amb el moviment de rotació terrestre produeix vents, ja que l'aire fred es mou i circula per sota de l'aire calent, creant corrents diversos trucades corrents de convecció.

corrents oceàniques

L'aigua es comporta de manera semblant a com ho fa l'aire en l'atmosfera. Les aigües més càlides es troben gairebé sempre a prop de la superfície, mentre que les aigües més fredes són més profundes.

efecte dinamo

Ocorre en el nucli fos de l'interior de la planeta, on es combina amb el moviment de rotació de la Terra, generant corrents elèctrics que donen lloc a el camp magnètic terrestre.

Transmissió d'energia a l'interior de les estrelles

Les estrelles com el Sol són enormes esferes de gas. La convecció és un mecanisme eficient de transport d'energia allà, ja que les molècules gasoses tenen prou llibertat de moure entre zones de l'interior de les estrelles.

Aplicacions de la convecció

Aires condicionats

L'aire condicionat es col·loca prop de el sostre de les habitacions, perquè l'aire refredat, que és més dens, descendeixi i refredi més a prop de terra ràpidament.

Intercanviadors de calor

És un dispositiu que permet la transmissió de calor d'un fluid a un altre i és el principi de funcionament dels aires condicionats i els mecanismes de refredament de l'motor de l'automòbil, per exemple.

Aïllants tèrmics en construccions

Es fan combinant làmines de material aïllant i afegint bombolles d'aire a l'interior.

Torres de refredament

També anomenades torres de refrigeració, serveixen per rebutjar a l'aire la calor produïda per centrals nuclears, refineries de petroli i altres instal·lacions industrials diverses, en lloc de fer-ho a terra oa les aigües.

referències

1. Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conducció, convecció i radiació. Recuperat de: eltamiz.com.
3. Natahenao. Aplicacions de la calor. Recuperat de: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Física per a Ciències i Enginyeria. Volum 1. 7dt. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Convecció. Recuperat de: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Convecció thermique. Recuperat de: fr.wikipedia.org.