Vad är fri konvektion?
Fri konvektion, även känd som naturlig konvektion, är ett fenomen som inträffar när en vätska eller gas rör sig till följd av densitetsförändringar som inträffar inuti den, snarare än som svar på en extern rörelsekälla såsom en fläkt eller turbin. Naturlig konvektion kan ses, förvånansvärt, i naturen, där den spelar en roll i ett antal olika naturliga processer, och den kan också ses i människokontrollerade miljöer, allt från köket till kemilabbet. Detta skiljer sig från tvungen konvektion, i vilken rörelse tvingas av rörelsen av en anordning såsom en fläkt, sett i en konvektionsugn.
Naturlig konvektion uppstår när vätskor blir instabila. Ett område blir varmare än resten, förlorar densiteten, och det börjar stiga, vilket skapar en liten ström. När det stiger överförs värme till den omgivande kylvätskan. Strömmar och virvlar visas. I ett enkelt exempel på naturlig konvektion, om man tappar varmt vatten färgat med matfärgning i en klar glasskål med odött kallt vatten, kommer det att vara möjligt att spåra rörelsen hos det färgade vattnet tills blandningen stabiliseras och rörelsen stannar.
Newtons Cooling Law spelar en avgörande roll i fri konvektion. Enligt Newton kan hastigheten för temperaturändring i en vätska ses som proportionell mot skillnaden mellan vätskan och omgivningen. Detta påverkar fri konvektion, eftersom förändrade temperaturer skapar instabilitet, vilket leder till fri konvektion. Till exempel påverkas vädersystem kraftigt av rörelsen av varm och kall luft som påverkas av solstrålning, kontakt med kallt vatten och så vidare.
Cirkulationen av världens hav är en direkt följd av fri konvektion. När vattnet rör sig mot stolparna kyls det och blir tätare och sjunker ner mot botten. Under tiden värms vatten mot ekvatorn upp och blir lättare och stiger upp till ytan. Detta skapar en serie komplexa strömmar i hela havet som genererar kontinuerlig cirkulation och håller vattnet i havet i konstant rörelse.
Konvektionsteori förklarar också andra naturliga processer, såsom rörelse av vätskor under jordskorpan. Växling av vätskor under våra fötter spelar en roll i ett antal naturliga processer, med dessa vätskor som hela tiden rör sig till följd av temperaturförändringar inuti jorden. Konvektionsströmmar kan också korsa varandra, vilket ses i samspelet mellan havet och vädersystemen över och nära havet som påverkas av temperaturförändringar orsakade av havströmmarnas rörelse.