Cos'è la convezione naturale?
La convezione naturale è un tipo di trasferimento di calore in cui forze non umane influenzano il raffreddamento e il riscaldamento di fluidi, quali gas e liquidi. Il trasferimento di calore crea un ciclo chiamato corrente di convezione in cui un fluido caldo viene sostituito da uno più freddo. Tutti i fluidi e la materia sono costituiti da minuscoli blocchi chiamati atomi, che si raggruppano in molecole. Il movimento di queste molecole è ciò che provoca l'aumento o la caduta dei fluidi.
La convezione naturale aiuta a spiegare molti dei sistemi naturali della Terra, come le correnti oceaniche e gli strati atmosferici. È in contrasto con la convezione forzata, che funziona secondo lo stesso principio ma presenta una fonte di calore creata da dispositivi artificiali, come i ventilatori ad aria o ad acqua che accelerano il ciclo di trasferimento del calore. Sia la convezione forzata che quella naturale possono essere utilizzate per scopi specifici, come il riscaldamento di abitazioni o l'approvvigionamento idrico comunale.
Quando agiscono da una fonte di calore, come il sole o il calore sotterraneo, i liquidi spesso si alzano. Ad esempio, quando il sole riscalda la superficie della Terra, l'aria al suolo è quasi sempre più calda dell'aria più in alto nel cielo. Il calore espande gli spazi tra le molecole, rendendo più leggera l'aria e sollevandola sopra la superficie. Mentre l'aria sale più lontano dal terreno caldo, le molecole si raffreddano e si comprimono. Quest'aria più fresca e più pesante viene quindi tirata giù per gravità, dove si riscalda di nuovo e ricomincia il ciclo.
Le correnti oceaniche sono anche create a causa della convezione naturale, combinata con i cambiamenti del vento e la densità dell'acqua salata. I venti freddi che passano sopra la superficie dell'acqua causano la compressione e l'affondamento delle molecole verso il fondo dell'oceano. Mentre l'acqua si avvicina all'equatore, si riscalda e si alza di nuovo. Questo crea enormi correnti oceaniche che scorrono lungo le coste continentali e influenzano il clima delle regioni terrestri circostanti.
Tipicamente, un componente importante nella convezione naturale è la legge del raffreddamento di Newton. Questa legge scientifica afferma che la velocità con cui una sostanza perde calore è direttamente correlata alla temperatura dell'oggetto che agisce su di essa. In altre parole, più freddo è l'oggetto, più calore il fluido perderà. Un esempio di questa legge in atto è l'effetto dell'aggiunta di cubetti di ghiaccio a una bevanda: un cubo toglierà solo una piccola porzione di calore, ma una manciata raffredderà la bevanda molto più velocemente.