Hva er fri konveksjon?

Fri konveksjon, også kjent som naturlig konveksjon, er et fenomen som oppstår når en væske eller gass beveger seg som et resultat av tetthetsendringer som oppstår inne i den, snarere enn som svar på en ytre bevegelseskilde som en vifte eller turbin. Naturlig konveksjon kan sees, overraskende, i naturen, der den spiller en rolle i en rekke forskjellige naturlige prosesser, og den kan også sees i menneskestyrte omgivelser, alt fra kjøkken til kjemilaboratorium. Dette skiller seg fra tvungen konveksjon, der bevegelse blir tvunget av bevegelsen av et apparat som en vifte, slik det sees i en konveksjonsovn.

Naturlig konveksjon oppstår når væsker blir ustabile. Ett område blir varmere enn resten, mister tettheten, og det begynner å stige, og skaper en liten strøm. Når den stiger, overføres varmen til den omgivende kjølevæsken. Strømmer og virvler dukker opp. I et enkelt eksempel på naturlig konveksjon, vil man være i stand til å spore bevegelsen til det fargede vannet til blandingen stabiliserer seg og bevegelsen stopper, hvis man slipper varmt vann farget med konditorfarge i en klar glassbolle med ufarget kaldt vann.

Newtons lov om kjøling spiller en kritisk rolle i fri konveksjon. I følge Newton kan endringshastigheten temperaturmessig i en væske bli sett på som proporsjonal med forskjellen mellom væsken og omgivelsene. Dette påvirker fri konveksjon, fordi endrede temperaturer skaper ustabilitet, noe som fører til fri konveksjon. For eksempel er værsystemer sterkt påvirket av bevegelsen av varm og kald luft som påvirkes av solstråling, kontakt med kaldt vann og så videre.

Sirkulasjonen av verdens hav er en direkte konsekvens av fri konveksjon. Når vannet beveger seg mot polene, avkjøles det og blir tettere og synker ned mot bunnen. I mellomtiden varmer vann som beveger seg mot ekvator opp og blir lettere og stiger opp til overflaten. Dette skaper en serie komplekse strømmer i hele havet som genererer kontinuerlig sirkulasjon, og holder vannet i havet i konstant bevegelse.

Konveksjonsteori forklarer også andre naturlige prosesser, for eksempel bevegelse av væsker under jordskorpen. Skiftet av væsker under føttene våre spiller en rolle i en rekke naturlige prosesser, med disse væskene som hele tiden beveger seg som følge av temperaturendringer inne i jorden. Konveksjonsstrømmer kan også krysse hverandre, sett i samspillet mellom havet og værsystemene over og nær havet som er påvirket av temperaturendringer forårsaket av bevegelsen av havstrømmer.