Convección

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Ejemplo de movimiento convectivo en un entorno que contiene un fluido en contacto con dos superficies que tienen diferentes temperaturas.

En la convección natural es un tipo de transporte (de materia y energía ), ausente en los sólidos y despreciable para los fluidos muy viscosos , provocado por un gradiente de presión y la fuerza de la gravedad y caracterizado por movimientos de circulación interna al fluido. El movimiento convectivo resultante es un estado de movimiento caracterizado por un alto grado de mezcla , que depende del régimen hidrodinámico: en particular, en el régimen laminar el grado de mezcla es menor, mientras que en el régimen turbulento el grado de mezcla es mayor. y consecuentemente los coeficientes de cambio son más altos.

Descripción

Convección térmica

Movimiento convectivo del aire durante un proceso de combustión . Las flechas indican el movimiento convectivo del aire.

En el caso de que el movimiento convectivo esté asociado a un intercambio de calor , hablamos de convección térmica . La convección térmica es una de las tres formas de transmisión de calor (convección, conducción y radiación ).

De la ley de conservación de la energía se deduce que el calor que cede un sistema (a otros sistemas, dentro de él o al entorno circundante) es igual al que recibe el otro, y de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica , el calor es transferido espontáneamente desde el sistema de temperatura más alta hacia el de temperatura más baja.

El fenómeno de la convección térmica se obtiene cuando un fluido (como el agua o el aire ) entra en contacto con un cuerpo cuya temperatura es superior a la del propio fluido. Al aumentar la temperatura por conducción, el fluido en contacto con el objeto se expande y disminuye de densidad , y debido al empuje de Arquímedes se eleva, siendo menos denso que el fluido que lo rodea que es más frío, generando así movimientos convectivos, en los que el el líquido caliente sube y el frío baja ( convección natural ).

Tratamiento del fenómeno físico

Consideremos un sistema A en al menos equilibrio termodinámico local. En A, entonces, se definirá la distribución de temperatura T (x, y, z, t), que supondremos diferenciable. Alrededor de cada punto de A se definen T y . Sea S una superficie genérica ubicada dentro de nuestro sistema A. Si la temperatura en A no es uniforme, la superficie S será atravesada por una potencia térmica debido al gradiente de temperatura. El fenómeno se llama transmisión de calor . Dividimos el sistema A en subsistemas infinitesimales. Si estos subsistemas están en movimiento relativo, la transmisión de calor se llama convección.

Energía térmica intercambiada entre una pared límite sólida y el fluido

La potencia térmica intercambiada entre una pared límite sólida y el fluido se puede calcular mediante la ley de Fourier aplicada a la pared:

Dónde está es el vector normal a la areola infinitesimal ds e es el coeficiente de conducción de la pared (homogéneo, o sería un tensor).

Para calcular la potencia térmica intercambiada Q es necesario conocer la distribución de temperatura en el fluido y para determinar esta última es necesario resolver el siguiente sistema de ecuaciones diferenciales:

Dónde está es la densidad del fluido, es el vector de velocidad del fluido, g es la aceleración de la gravedad y es la difusividad térmica del fluido en cuestión.

Convección de un fluido dentro de un recipiente calentado desde abajo.

La primera es la ecuación de continuidad y constituye un balance de masa local, la segunda es la ecuación de Navier-Stokes y constituye un balance local de impulso (tenga en cuenta que con la escritura solemos indicar la derivada material del vector u), la tercera es la ecuación de Fourier extendida a la convección.

Si las diferencias de densidad debidas a las diferencias de temperatura en el fluido tienen un efecto insignificante sobre el movimiento, hablamos de convección forzada . En este caso el movimiento se debe a causas externas como ventiladores, bombas o en general diferencias de presión generadas fuera del dominio de estudio. [1] En este caso es posible establecer la densidad del fluido constante y así resolver las dos primeras ecuaciones del sistema antes mencionado y luego la tercera.

Si, por el contrario, el movimiento se debe únicamente a diferencias de densidad debidas a diferencias de temperatura, se denomina convección natural .

Un tercer caso es el de la convección mixta que, como su nombre indica, el movimiento se debe tanto a diferencias de densidad debidas a diferencias de temperatura como a causas externas.

En casos de convección natural o mixta no es posible configurar la densidad de fluido constante y es necesario resolver simultáneamente las tres ecuaciones diferenciales escritas.

Ejemplos de

Simulación por computadora de los movimientos convectivos que ocurren dentro del manto terrestre

Como ejemplo, podemos imaginar un sistema aislado del exterior, con dos cuerpos a diferentes temperaturas, el más frío en la parte superior y el más cálido en la parte inferior, separados por agua : ya que el agua caliente tiende a subir y el agua fría a descender. (para la diferente densidad), habrá un movimiento convectivo por el cual en la zona central el agua, habiéndose calentado en contacto con el cuerpo caliente, asciende hacia el cuerpo frío; por otro lado, en las zonas externas hay un movimiento descendente, porque el agua que se enfría en contacto con el cuerpo frío se desplaza hacia abajo. Si se invirtieran los cuerpos, el caliente arriba y el frío abajo, no habría movimiento convectivo, el agua permanecería quieta y el cuerpo caliente transferiría calor al más frío solo por conducción .

En general, la convección es cualquier flujo que:

  • acumula calor en un lado;
  • lo deposita en otro;
  • se mantiene en movimiento mediante el transporte de calor.

El suelo de la Tierra es calentado por los rayos del Sol por radiación , el calor hace que el aire se expanda el cual se vuelve menos denso y flota como una burbuja hacia arriba, llegando a las capas superiores de la atmósfera transfiere su calor a otras masas de 'el aire, o el espacio exterior, se enfría y otras burbujas que vienen de abajo lo empujan hacia un lado y comienza a descender, este movimiento es otro ejemplo de movimiento convectivo.

sol

Sección del Sol con las distintas zonas de transferencia de calor.

El Sol es una masa de gas autogravitante, en equilibrio hidrostático , es decir, en equilibrio entre la fuerza de gravedad y la presión . En el interior, la energía desarrollada (calor) se propaga por convección y también por radiación.

En regiones del Sol donde la temperatura es muy alta, la materia se calienta considerablemente, cuando la diferencia de temperatura aumenta de valor, ocurre lo mismo que en una olla llena de agua cuando se expone al fuego .

Los elementos fluidos se calientan y expanden, se vuelven más livianos y suben a la superficie donde comienzan a enfriarse. Luego descienden hacia abajo, y así se producen ciclos convectivos , a través de los cuales se transporta el calor de las zonas más cálidas a las más frías, redistribuyendo la temperatura, y así se produce el mecanismo de transporte de calor propio de los medios fluidos.

En las estrellas más grandes , la temperatura en el centro es más alta y la energía se produce a través del ciclo CNO , que es más energético; esto conduce al desarrollo de un núcleo totalmente convectivo, donde en los mismos ciclos se mezclan los elementos producidos por la reacción con los más externos.

En el Sol, justo alrededor del núcleo, donde tienen lugar las reacciones de fusión , hay una capa de gas llamada radiativa rodeada a su vez por una capa llamada zona convectiva con un espesor de 150.000 km . Desde la zona radiativa la energía se transporta a través de los fotones , que se transfieren de un ion a otro en un proceso muy lento, que dura unos pocos millones de años, y se desplaza hacia el exterior donde la temperatura del gas disminuye; los electrones se recombinan y, por lo tanto, pueden reabsorber un fotón y pueden ser arrancados del átomo : todo esto provoca una ralentización de la radiación. Así se desarrollan en el gas movimientos convectivos, es decir, burbujas que se elevan hacia la superficie donde se enfrían, provocando la transferencia de energía que de otro modo quedaría en el interior.

atmósfera terrestre

Yunque de cumulonimbus , un claro signo de convección libre, lugar de chubascos y tormentas

En meteorología y física de la atmósfera, existen dos tipos de convección: la convección natural o libre que se establece debido a las diferencias de temperatura entre las masas de aire y el aire circundante y la convección forzada que se establece sobre una masa de aire por efecto, por ejemplo , de una elevación orográfica ( stau ) de una cadena montañosa .

En una tormenta, el aire caliente y húmedo se eleva en un movimiento convectivo, cuando llega a una zona de menor presión se enfría y se expande; el aire frío no puede retener toda la humedad del aire caliente, por lo que se expulsa el agua extra. Ésta, debido a un movimiento convectivo moderado, forma las nubes , pero cuando el agua es en cantidad excesiva se obtiene lluvia .

Al pasar al estado líquido , el agua se enfría, liberando el calor previamente proporcionado por el Sol para evaporar la masa y así devolver energía al aire. Como resultado, el aire ascendente será más cálido que las capas circundantes, por lo que continuará subiendo violentamente.

Nota

Bibliografía

  • (EN) Robert Byron, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , 2da ed., Nueva York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4 .
  • ( EN ) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentos de la transferencia de calor y masa , 6a ed., Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0 .

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