Convezione

La convezione (o convezione termica) è una delle tre modalità di propagazione del calore nella materia, caratteristica dei fluidi. Essa comporta la trasmissione del calore in un fluido mediante trasporto di materia e, in particolare, mediante quelli che vengono detti moti convettivi.

 

In questa breve lezione analizzeremo il modello di convezione termica, tipico dei fluidi, studiandone le cause fisiche e mettendo in luce le differenze che lo contraddistinguono rispetto alla conduzione del calore, tipica dei solidi.

 

Vedremo in particolare qual è il principio che genera moti e correnti convettive nei liquidi e nei gas e proporremo diversi esempi concreti, riferiti alla vita quotidiana, alla metereologia e all'astronomia. :)

 

Convezione del calore

 

La convezione è il secondo modo con cui il calore può propagarsi nella materia ed è un fenomeno che contraddistingue i fluidi, ossia liquidi e gas.

 

Abbiamo visto che il calore si propaga nei solidi tramite il fenomeno di conduzione termica. Le molecole a contatto con la sorgente di calore aumentano la propria energia cinetica e conseguentemente il proprio moto di agitazione termica, così che iniziano a oscillare maggiormente attorno alle loro posizioni di equilibrio. Tale movimento viene propagato progressivamente alle molecole vicine che, a loro volta, lo propagano a quelle a loro adiacenti, e così via. In questo modo il calore si trasmette nel solido arrivando anche nei punti del corpo che si trovano più lontani dalla sorgente termica.

 

Se guardiamo al comportamento dei fluidi, vediamo che essi trasferiscono calore al loro interno mediante un diverso fenomeno, la convezione termica. A differenza della conduzione, in cui viene trasmesso solamente il calore e non vi è alcun trasferimento di materia, con la convezione abbiamo un trasferimento di calore dovuto a uno spostamento di materia, detto moto convettivo.

 

Convezione e moti convettivi nei fluidi

 

Che cosa determina i moti convettivi nei fluidi a contatto con una sorgente di calore, e quali sono le cause fisiche della convezione?

 

Quando si mette dell'acqua sul fuoco, la parte di fluido che si trova a contatto col fondo del recipiente posto sulla fiamma è la prima a scaldarsi e a ricevere il calore. I fluidi però, quando si scaldano, modificano il proprio valore di densità: in particolare la densità diminuisce all'aumentare della temperatura. Così la parte di acqua che si trova sul fondo, più calda e meno densa, è soggetta a una spinta di Archimede rivolta verso l'alto e più intensa di quanto non sia la forza peso che la attrae verso il basso.

 

L'intera massa d'acqua non è più in equilibrio: si genera così un moto convettivo in cui l'acqua sul fondo è spinta verso l'alto e, di contro, quella prossima alla superficie più fredda e densa tende a sprofondare. Come conseguenza si vengono a creare correnti ascensionali che muovono il fluido verticalmente, dette correnti convettive. È tramite tali correnti che il calore viene trasmesso per mezzo della materia che, spostandosi, porta con sé il proprio calore e lo trasferisce alle parti di fluido più fredde.

 

Lo stesso fenomeno avviene anche con l'aria, quando viene riscaldata. Ad esempio l'aria che si trova a contatto con i termosifoni si scalda e si dilata, venendo così spinta verso l'alto. Altra aria più fredda prende il suo posto, scaldandosi a sua volta. Il continuo movimento permette a tutta l'aria presente in una stanza di scaldarsi, diffondendo il calore in modo uniforme. Un altro esempio della vita quotidiana è dato dal forno a convezione, in cui le pietanze vengono riscaldate dalla circolazione dell'aria calda al suo interno.

 

Lo stesso fenomeno si presenta nei movimenti delle grandi masse d'aria dell'atmosfera, con conseguenze climatiche su media e larga scala.

 

Le correnti convettive sono riscontrabili anche nel Sole, e più in generale possiamo dire che la convezione è un fenomeno fondamentale nella vita di qualsiasi stella. Il nucleo solare infatti è la parte più calda: il plasma incandescente più vicino al nucleo si sposta verso la superficie solare, portando il proprio calore verso la parte più esterna. Il plasma prossimo alla superficie invece si muove verso l'interno scaldandosi, per poi rispostarsi verso la superficie e così via. Il meccanismo è sempre lo stesso e in tutti questi casi siamo in presenza di moti convettivi.

 

 


 

Dopo conduzione e convezione non ci resta che analizzare la terza e ultima modalità di propagazione del calore: l'irraggiamento. Ce ne occupiamo nella lezione successiva. Nel frattempo vi raccomandiamo di usare la barra di ricerca interna per qualsiasi dubbio, domanda o eventualmente per scegliere tra migliaia di esercizi risolti e spiegati dallo Staff. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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Tags: convezione termica e trasporto del calore per convezione nei liquidi e nei gas - differenza tra convezione, conduzione e irraggiamento.