Uno scambio di calore, sempre presente quando si verifica una variazione di temperatura, può avvenire in diversi modi: conduzione, convezione e irraggiamento. Qui parliamo della convezione di calore.
La convezione di calore si ha quando le particelle di un materiale, oltre a trasmettersi microscopicamente variazioni di energia cinetica, si spostano relativamente le une alle altre: non si ha soltanto uno scambio di energia ma anche un vero e proprio movimento di materia. Si parla infatti di moti convettivi. La convezione avviene per lo più nei fluidi, liquidi o aeriformi, in quanto le particelle di un solido non sono libere di muoversi.
I moti convettivi sono dovuti principalmente al seguente fenomeno: un fluido, se aumenta la propria temperatura, tende ad espandersi (o ad aumentare la pressione), diminuendo la propria densità; mentre se si raffredda, la sua densità cresce e il liquido si contrae (o diminuisce la propria pressione). Fra porzioni di fluido a diverse temperature, e quindi dotate di differenti densità, viene a mancare l’equilibrio idrostatico e la forza di gravità fa sì che porzioni più dense di liquido si spostino verso il basso, e porzioni più calde vengano sospinte in alto.
Spieghiamo il fenomeno mediante un semplice esempio. Supponiamo di avere un sistema così costituito: una fonte di calore in basso, un altro corpo più freddo posto in alto e, nel mezzo, un contenitore colmo di un fluido. Una buona approssimazione potrebbe essere una pentola d’acqua su un fornello. Fin tanto che tra la fonte di calore e il corpo freddo sussiste una differenza di temperatura, il moto convettivo non si arresta: le porzioni di fluido più fredde, a livello della fonte di calore, vengono riscaldate (per conduzione tramite la parete inferiore del recipiente), e dunque tendono a spostarsi verso l’alto. Durante il moto, esse entrano in contatto con le pareti laterali del contenitore e con la superficie superiore, le quali si trovano a una temperatura inferiore rispetto alla fonte di calore: a questo punto, le porzioni di liquido che hanno raggiunto queste regioni si raffreddano, cedendo calore, e, aumentando la propria densità, si spostano nuovamente verso il basso. Qui verranno ancora una volta riscaldate, dando di nuovo inizio al moto convettivo.
In effetti potremmo dire che la convezione di calore è un qualunque flusso di materia ed energia che trasporta calore da regioni più calde a regioni più fredde, e questo trasporto di calore causa ed alimenta il flusso stesso.
Facciamo notare che sono necessarie al manifestarsi del moto convettivo:
- La forza peso, responsabile dello spostamento verso il basso di volumi a densità maggiore e viceversa verso l’alto di porzioni di minore densità: se non ci fosse, indipendentemente dalla propria densità, tutte le porzioni di liquido, non soggette a forze, tenderebbero a rimanere in quiete, o a espandersi ugualmente in tutte le direzioni.
- La differenza di temperatura, che nell’esempio viene mantenuta costante per ipotesi: se la fonte di calore si potesse raffreddare e il corpo freddo si potesse riscaldare, il moto convettivo si arresterebbe quando i due corpi raggiungerebbero, a seguito dello scambio di calore, la loro temperatura di equilibrio.
Crediti Immagine: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Convection.gif