Che cos'è il raffreddamento a convezione?
Il raffreddamento per convezione è qualsiasi trasferimento di calore che si verifica da un movimento di fluido. Sia i liquidi che i gas possono presentare raffreddamento per convezione e l'effetto può essere naturale o forzato. Il raffreddamento naturale si verifica a causa del trasferimento di calore dovuto alle variazioni di densità del fluido, come l'aumento di aria calda e l'affondamento di aria più fredda. La convezione forzata si verifica quando viene aggiunta una forza esterna per spostare il fluido, come una ventola che sposta l'aria o un cucchiaio che mescola un liquido.
Il trasferimento di calore avviene principalmente per conduzione e convezione. La conduzione è un trasferimento di calore attraverso qualsiasi materiale, senza movimento del materiale. Un esempio di conduzione è una padella di metallo riscaldata da una fiamma su una stufa a gas. La fiamma del gas riscalda la parte inferiore della padella e la conduzione trasferirà il calore al resto della padella. Quando il calore viene spento, la convezione raffredda la padella mentre il calore si trasferisce e sale all'aria intorno alla padella.
Il raffreddamento per convezione naturale si verifica nell'atmosfera e negli oceani della Terra. L'aria è riscaldata dal riscaldamento della terra e sale. Quando l'aria sale, si raffredda e ritorna in superficie, creando la circolazione dell'aria globale e modelli meteorologici. Le correnti oceaniche trasportano acqua calda verso oceani più freddi e pozzi d'acqua più freddi e si spostano verso le regioni più calde. La luce solare aggiunge energia riscaldando l'aria o l'acqua, e la rotazione della Terra impartisce energia, ma il movimento è considerato naturale piuttosto che forzato.
Il raffreddamento per convezione si verifica anche all'interno della Terra. Il nucleo fuso, riscaldato dal decadimento degli elementi radioattivi, sale verso la crosta esterna del nostro pianeta. La convezione raffredda il materiale del nucleo fuso e si sposta lentamente al centro. Questo movimento fa muovere lentamente i nostri continenti in cima al nucleo fuso, un fenomeno chiamato movimento della placca tettonica.
Il raffreddamento forzato è comune nelle case e nelle aziende. I sistemi di condizionamento e riscaldamento utilizzavano la convezione forzata per spostare il calore all'interno o all'esterno di un edificio. I fan all'interno delle apparecchiature elettroniche hanno utilizzato il raffreddamento a convezione forzata per spostare l'aria sui componenti elettronici. I sistemi di refrigerazione utilizzano ventole sia per rimuovere il calore dalle batterie del condensatore, sia per raffreddare il compressore e spostare l'aria all'interno del vano refrigerato.
I fan del raffreddamento hanno dimostrato effetti di convezione per secoli. Con l'invenzione dell'elettricità, i motori elettrici potrebbero essere utilizzati per pilotare ventilatori da tavolo e da soffitto. Dalla fine del XX secolo erano disponibili sofisticati ventilatori a soffitto contenenti termostati per il controllo automatico delle loro funzioni. Tutti si affidano allo stesso principio di raffreddamento del corpo umano spostando l'aria attraverso la pelle.
La convezione può essere combinata con l'evaporazione per migliorare le prestazioni di raffreddamento. I sistemi di raffreddamento evaporativo, che utilizzano l'aria forzata passata attraverso un cuscinetto di evaporazione a umido per raffreddare gli spazi interni, sono popolari nelle aree a bassissima umidità. Questi sistemi raffreddano lo spazio interno rimuovendo il calore dall'aria in entrata attraverso l'evaporazione. Il flusso d'aria risultante è più freddo, ma contiene più umidità. I sistemi evaporativi non funzionano bene in aree con maggiore umidità relativa, poiché il raffreddamento non si verifica e l'interno può diventare piuttosto umido.