Convección

Simulación de la convección térmica en el manto de la Tierra. Las zonas calientes se muestran en zonas rojas y frías se muestran en azul. Un material caliente y de menor densidad en el fondo se mueve hacia arriba, y de igual manera, el material frío de la parte superior se mueve hacia abajo.

Convección es un flujo de fluido monofásico o multifásico que ocurre espontáneamente debido a los efectos combinados de la heterogeneidad de las propiedades del material y las fuerzas del cuerpo en un fluido, más comúnmente densidad y gravedad (ver flotabilidad). Cuando no se especifica la causa de la convección, se puede suponer una convección debida a los efectos de la expansión térmica y la flotabilidad. La convección también puede tener lugar en sólidos blandos o mezclas donde las partículas pueden fluir.

El flujo convectivo puede ser transitorio (como cuando se separa una mezcla multifásica de aceite y agua) o de estado estacionario (ver Celda de convección). La convección puede deberse a fuerzas gravitatorias, electromagnéticas o de cuerpos ficticios. La transferencia de calor por convección natural juega un papel en la estructura de la atmósfera de la Tierra, sus océanos y su manto. Las células discretas de convección en la atmósfera se pueden identificar por las nubes, con una convección más fuerte que da como resultado tormentas eléctricas. La convección natural también juega un papel en la física estelar. La convección a menudo se clasifica o describe por el efecto principal que causa el flujo convectivo, p. Convección térmica.

Imagen térmica de un hervidor Ghillie recién iluminado. La ciruela de aire caliente resultante de la corriente de convección es visible.

La convección no puede tener lugar en la mayoría de los sólidos porque no pueden tener lugar flujos de corriente a granel ni una difusión significativa de la materia. La convección granular es un fenómeno similar en material granular en lugar de fluidos. La advección es un movimiento fluido creado por la velocidad en lugar de los gradientes térmicos. La transferencia de calor por convección es el uso intencional de la convección como método para la transferencia de calor.

Historia

En la década de 1830, en The Bridgewater Treatises, el término convección se atestigua en un sentido científico. En el tratado VIII de William Prout, en el libro de química, dice:

[...] Este movimiento de calor tiene lugar de tres maneras, que un lugar común de fuego muy bien ilustra. Si, por ejemplo, colocamos un termómetro directamente antes de un incendio, pronto comienza a subir, indicando un aumento de temperatura. En este caso el calor ha hecho su camino a través del espacio entre el fuego y el termómetro, por el proceso denominado radiación. Si ponemos un segundo termómetro en contacto con cualquier parte del grato, y lejos de la influencia directa del fuego, encontraremos que este termómetro también denota un aumento de la temperatura; pero aquí el calor debe haber recorrido a través del metal del grato, por lo que se denomina conducción. Por último, un tercer termómetro situado en la chimenea, lejos de la influencia directa del fuego, también indicará un aumento considerable de la temperatura; en este caso una parte del aire, pasando por el fuego y cerca del fuego, se ha calentado, y se ha convertido en una transportados arriba la chimenea la temperatura adquirida del fuego. Actualmente no hay un solo término en nuestro lenguaje empleado para denotar este tercer modo de propagación del calor; pero nos atrevemos a proponer para ese propósito, el término convección[en la nota de pie de página: [Latin] Convectio, una carga o transporte] que no sólo expresa el hecho principal, sino que también coincide muy bien con los otros dos términos.

Más adelante, en el mismo tratado VIII, en el libro de meteorología, se aplica también el concepto de convección al "proceso por el cual se comunica el calor a través del agua".

Terminología

Hoy, la palabra convección tiene usos diferentes pero relacionados en diferentes contextos o aplicaciones científicas o de ingeniería.

En mecánica de fluidos, convección tiene un sentido más amplio: se refiere al movimiento de un fluido impulsado por la diferencia de densidad (u otra propiedad).

En termodinámica, convección a menudo se refiere a la transferencia de calor por convección, donde la variante prefijada Natural Convection se usa para distinguir el concepto de mecánica de fluidos de convección (tratado en este artículo) de la transferencia de calor por convección.

Algunos fenómenos que dan como resultado un efecto superficialmente similar al de una celda convectiva también pueden denominarse (inexactamente) como una forma de convección, p. convección termocapilar y convección granular.

Mecanismos

La convección puede ocurrir en fluidos en todas las escalas más grandes que unos pocos átomos. Hay una variedad de circunstancias en las que surgen las fuerzas requeridas para la convección, lo que lleva a diferentes tipos de convección, que se describen a continuación. En términos generales, la convección surge debido a las fuerzas del cuerpo que actúan dentro del fluido, como la gravedad.

Convección natural

Esta imagen de color schlieren revela la convección térmica originaria de la conducción del calor de una mano humana (en silueta) a la atmósfera circundante, inicialmente por la difusión de la mano al aire circundante, y posteriormente también como la advección ya que el calor hace que el aire empiece a moverse hacia arriba.

Convección natural es un tipo de flujo, de movimiento de un líquido como el agua o un gas como el aire, en el que el movimiento del fluido no es generado por ninguna fuente externa (como una bomba, ventilador, dispositivo de succión, etc.) sino por algunas partes del fluido que son más pesadas que otras partes. En la mayoría de los casos, esto conduce a la circulación natural, la capacidad de un fluido en un sistema para circular continuamente, con gravedad y posibles cambios en la energía térmica. La fuerza impulsora de la convección natural es la gravedad. Por ejemplo, si hay una capa de aire frío y denso encima de aire más caliente y menos denso, la gravedad tira con más fuerza sobre la capa más densa de arriba, por lo que cae mientras que el aire más caliente y menos denso sube para ocupar su lugar. Esto crea un flujo circulante: convección. Como depende de la gravedad, no hay convección en entornos de caída libre (inerciales), como el de la Estación Espacial Internacional en órbita. La convección natural puede ocurrir cuando hay regiones frías y calientes de aire o agua, porque tanto el agua como el aire se vuelven menos densos a medida que se calientan. Pero, por ejemplo, en los océanos del mundo también ocurre debido a que el agua salada es más pesada que el agua dulce, por lo que una capa de agua salada sobre una capa de agua más dulce también provocará convección.

La convección natural ha atraído mucho la atención de los investigadores debido a su presencia tanto en la naturaleza como en aplicaciones de ingeniería. En la naturaleza, las celdas de convección formadas por el aire que se eleva sobre la tierra o el agua calentadas por la luz del sol son una característica importante de todos los sistemas meteorológicos. La convección también se observa en la columna ascendente de aire caliente del fuego, la tectónica de placas, las corrientes oceánicas (circulación termohalina) y la formación del viento marino (donde la convección ascendente también es modificada por las fuerzas de Coriolis). En aplicaciones de ingeniería, la convección se visualiza comúnmente en la formación de microestructuras durante el enfriamiento de metales fundidos, y el fluido fluye alrededor de aletas de disipación de calor envueltas y estanques solares. Una aplicación industrial muy común de la convección natural es el enfriamiento por aire libre sin la ayuda de ventiladores: esto puede suceder en escalas pequeñas (chips de computadora) a equipos de proceso a gran escala.

La convección natural será más probable y más rápida con una mayor variación en la densidad entre los dos fluidos, una mayor aceleración debido a la gravedad que impulsa la convección o una mayor distancia a través del medio de convección. La convección natural será menos probable y menos rápida con una difusión más rápida (difundiendo así el gradiente térmico que está causando la convección) o un fluido más viscoso (pegajoso).

El inicio de la convección natural se puede determinar mediante el número de Rayleigh (Ra).

Tenga en cuenta que las diferencias en la flotabilidad dentro de un fluido pueden surgir por razones distintas a las variaciones de temperatura, en cuyo caso el movimiento del fluido se denomina convección gravitacional (ver más abajo). Sin embargo, todos los tipos de convección flotante, incluida la convección natural, no ocurren en entornos de microgravedad. Todos requieren la presencia de un entorno que experimente la fuerza g (aceleración adecuada).

La diferencia de densidad en el fluido es el mecanismo impulsor clave. Si las diferencias de densidad son causadas por el calor, esta fuerza se denomina "carga térmica" o "cabeza de conducción térmica." Un sistema de fluidos diseñado para la circulación natural tendrá una fuente de calor y un disipador de calor. Cada uno de estos está en contacto con parte del fluido del sistema, pero no con todo. La fuente de calor se coloca más abajo que el disipador de calor.

La mayoría de los materiales que son fluidos a temperaturas comunes se expanden cuando se calientan y se vuelven menos densos. En consecuencia, se vuelven más densos cuando se enfrían. En la fuente de calor de un sistema de circulación natural, el fluido calentado se vuelve más liviano que el fluido que lo rodea y, por lo tanto, asciende. En el disipador de calor, el fluido cercano se vuelve más denso a medida que se enfría y es atraído hacia abajo por la gravedad. Juntos, estos efectos crean un flujo de fluido desde la fuente de calor hasta el disipador de calor y viceversa.

Convección gravitatoria o flotante

Convección gravitacional es un tipo de convección natural inducida por variaciones de flotabilidad resultantes de propiedades del material distintas de la temperatura. Por lo general, esto es causado por una composición variable del fluido. Si la propiedad variable es un gradiente de concentración, se conoce como convección soluto. Por ejemplo, la convección gravitatoria se puede ver en la difusión de una fuente de sal seca hacia abajo en el suelo húmedo debido a la flotabilidad del agua dulce en la solución salina.

La salinidad variable del agua y el contenido de agua variable en las masas de aire son causas frecuentes de convección en los océanos y la atmósfera que no involucran calor, o bien involucran factores de densidad de composición adicionales distintos de los cambios de densidad por expansión térmica (ver circulación termohalina). De manera similar, la composición variable dentro del interior de la Tierra que aún no ha alcanzado la estabilidad máxima y la energía mínima (en otras palabras, con las partes más densas más profundas) continúa causando una fracción de la convección de roca fluida y metal fundido dentro de la Tierra. 39;s interior (ver más abajo).

La convección gravitatoria, al igual que la convección térmica natural, también requiere un entorno de fuerza g para que se produzca.

Convección de estado sólido en hielo

Se cree que la convección de hielo en Plutón se produce en una mezcla blanda de hielo de nitrógeno y hielo de monóxido de carbono. También se ha propuesto para Europa y otros cuerpos en el sistema solar exterior.

Convección termomagnética

La convección termomagnética puede ocurrir cuando se impone un campo magnético externo sobre un ferrofluido con susceptibilidad magnética variable. En presencia de un gradiente de temperatura, esto da como resultado una fuerza de cuerpo magnético no uniforme, lo que conduce al movimiento del fluido. Un ferrofluido es un líquido que se magnetiza fuertemente en presencia de un campo magnético.

Combustión

En un entorno de gravedad cero, no puede haber fuerzas de flotación y, por lo tanto, no es posible la convección, por lo que las llamas en muchas circunstancias sin gravedad se sofocan con sus propios gases residuales. La expansión térmica y las reacciones químicas que dan como resultado gases de expansión y contracción permiten la ventilación de la llama, ya que los gases residuales son desplazados por gas frío, fresco y rico en oxígeno. se mueve para ocupar las zonas de baja presión creadas cuando el agua de escape de llama se condensa.

Ejemplos y aplicaciones

Los sistemas de circulación natural incluyen tornados y otros sistemas meteorológicos, corrientes oceánicas y ventilación doméstica. Algunos calentadores solares de agua usan circulación natural. La Corriente del Golfo circula como resultado de la evaporación del agua. En este proceso, el agua aumenta en salinidad y densidad. En el Océano Atlántico Norte, el agua se vuelve tan densa que comienza a hundirse.

La convección se produce a gran escala en las atmósferas, los océanos y los mantos planetarios, y proporciona el mecanismo de transferencia de calor para una gran parte de los interiores más exteriores de nuestro sol y de todas las estrellas. El movimiento del fluido durante la convección puede ser invisiblemente lento o puede ser obvio y rápido, como en un huracán. En escalas astronómicas, se cree que la convección de gas y polvo ocurre en los discos de acreción de los agujeros negros, a velocidades que pueden acercarse mucho a la de la luz.

Experimentos de demostración

Circulación térmica de masas aéreas

La convección térmica en líquidos se puede demostrar colocando una fuente de calor (por ejemplo, un mechero Bunsen) al costado de un recipiente con un líquido. Agregar un tinte al agua (como colorante para alimentos) permitirá la visualización del flujo.

Otro experimento común para demostrar la convección térmica en líquidos consiste en sumergir recipientes abiertos de líquido caliente y frío coloreado con colorante en un recipiente grande del mismo líquido sin colorante a una temperatura intermedia (p. ej., un frasco de agua caliente del grifo de color rojo, una jarra de agua enfriada en una nevera de color azul, sumergida en un tanque de agua transparente a temperatura ambiente).

Un tercer enfoque es usar dos frascos idénticos, uno lleno de agua caliente teñida de un color y agua fría de otro color. A continuación, se sella temporalmente un frasco (p. ej., con un trozo de cartón), se invierte y se coloca encima del otro. Cuando se retira la tarjeta, si se coloca encima el frasco que contiene el líquido más caliente, no se producirá convección. Si se coloca encima el frasco que contiene el líquido más frío, se formará espontáneamente una corriente de convección.

La convección en gases se puede demostrar usando una vela en un espacio sellado con un puerto de entrada y salida. El calor de la vela provocará una fuerte corriente de convección que se puede demostrar con un indicador de flujo, como el humo de otra vela, que se libera cerca de las áreas de entrada y salida, respectivamente.

Doble convección difusiva

Células de convección

Células de convección en un campo de gravedad

Una celda de convección, también conocida como celda de Bénard, es un patrón de flujo de fluido característico en muchos sistemas de convección. Un cuerpo de fluido ascendente normalmente pierde calor porque se encuentra con una superficie más fría. En líquido, esto ocurre porque intercambia calor con líquido más frío a través del intercambio directo. En el ejemplo de la atmósfera terrestre, esto ocurre porque irradia calor. Debido a esta pérdida de calor, el fluido se vuelve más denso que el fluido debajo de él, que todavía está subiendo. Como no puede descender a través del fluido ascendente, se desplaza hacia un lado. A cierta distancia, su fuerza descendente supera la fuerza ascendente debajo de él y el fluido comienza a descender. A medida que desciende, vuelve a calentarse y el ciclo se repite.

Convección atmosférica

Circulación atmosférica

Representación idealizada de la circulación mundial en la Tierra

La circulación atmosférica es el movimiento a gran escala del aire y es un medio por el cual la energía térmica se distribuye en la superficie de la Tierra, junto con el sistema de circulación oceánica mucho más lento (retrasado). La estructura a gran escala de la circulación atmosférica varía de un año a otro, pero la estructura climatológica básica permanece bastante constante.

La circulación latitudinal ocurre porque la radiación solar incidente por unidad de área es más alta en el ecuador de calor y disminuye a medida que aumenta la latitud, alcanzando mínimos en los polos. Consiste en dos celdas de convección primarias, la celda de Hadley y el vórtice polar, con la celda de Hadley experimentando una convección más fuerte debido a la liberación de energía de calor latente por condensación de vapor de agua en altitudes más altas durante la formación de nubes.

La circulación longitudinal, por otro lado, se produce porque el océano tiene una mayor capacidad de calor específico que la tierra (y también conductividad térmica, lo que permite que el calor penetre más bajo la superficie) y, por lo tanto, absorbe y libera más calor, pero el la temperatura cambia menos que la tierra. Esto trae la brisa marina, el aire enfriado por el agua, a tierra durante el día, y lleva la brisa terrestre, el aire enfriado por el contacto con el suelo, al mar durante la noche. La circulación longitudinal consta de dos células, la circulación de Walker y El Niño/Oscilación del Sur.

Tiempo

Cómo se produce Foehn

Algunos fenómenos más localizados que el movimiento atmosférico global también se deben a la convección, incluido el viento y parte del ciclo hidrológico. Por ejemplo, un viento foehn es un viento de pendiente descendente que se produce en el lado de sotavento de una cadena montañosa. Es el resultado del calentamiento adiabático del aire que ha dejado caer la mayor parte de su humedad en las laderas de barlovento. Debido a las diferentes tasas de gradiente adiabático del aire húmedo y seco, el aire en las laderas de sotavento se calienta más que a la misma altura en las laderas de barlovento.

Una columna térmica (o térmica) es una sección vertical de aire ascendente en las altitudes más bajas de la atmósfera terrestre. Las térmicas son creadas por el calentamiento desigual de la superficie de la Tierra debido a la radiación solar. El Sol calienta el suelo, que a su vez calienta el aire directamente sobre él. El aire más cálido se expande, se vuelve menos denso que la masa de aire circundante y crea una baja térmica. La masa de aire más ligero se eleva y, al hacerlo, se enfría por expansión a presiones de aire más bajas. Deja de subir cuando se ha enfriado a la misma temperatura que el aire circundante. Asociado con una térmica hay un flujo descendente que rodea la columna térmica. El exterior que se mueve hacia abajo es causado por el desplazamiento de aire más frío en la parte superior de la térmica. Otro efecto meteorológico impulsado por la convección es la brisa marina.

Escenas de la vida de una tormenta.

El aire caliente tiene una densidad más baja que el aire frío, por lo que el aire caliente se eleva dentro del aire más frío, de forma similar a los globos aerostáticos. Las nubes se forman a medida que el aire relativamente más cálido que transporta humedad se eleva dentro del aire más frío. A medida que el aire húmedo asciende, se enfría, lo que hace que parte del vapor de agua del paquete de aire ascendente se condense. Cuando la humedad se condensa, libera energía conocida como calor latente de condensación que permite que el paquete de aire ascendente se enfríe menos que el aire que lo rodea, continuando la ascensión de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará el tiempo suficiente para que se formen nubes cumulonimbus, que soportan rayos y truenos. Generalmente, las tormentas eléctricas requieren tres condiciones para formarse: humedad, una masa de aire inestable y una fuerza de elevación (calor).

Todas las tormentas eléctricas, independientemente del tipo, pasan por tres etapas: la etapa de desarrollo, la etapa madura y la etapa de disipación. La tormenta eléctrica promedio tiene un diámetro de 24 km (15 mi). Dependiendo de las condiciones presentes en la atmósfera, estas tres etapas toman un promedio de 30 minutos para pasar.

Circulación oceánica

Corrientes oceánicas

La radiación solar afecta a los océanos: el agua cálida del ecuador tiende a circular hacia los polos, mientras que el agua polar fría se dirige hacia el ecuador. Las corrientes superficiales están dictadas inicialmente por las condiciones del viento en la superficie. Los vientos alisios soplan hacia el oeste en los trópicos, y los vientos del oeste soplan hacia el este en latitudes medias. Este patrón de viento aplica una tensión a la superficie del océano subtropical con una curvatura negativa en el hemisferio norte y viceversa en el hemisferio sur. El transporte de Sverdrup resultante es hacia el ecuador. Debido a la conservación de la vorticidad potencial causada por los vientos que se desplazan hacia el polo en la periferia occidental de la dorsal subtropical y el aumento de la vorticidad relativa del agua que se desplaza hacia el polo, el transporte se equilibra con una corriente estrecha y acelerada hacia el polo que fluye a lo largo del límite occidental. de la cuenca oceánica, compensando los efectos de la fricción con la corriente límite occidental fría que se origina en latitudes altas. El proceso general, conocido como intensificación occidental, hace que las corrientes en el límite occidental de una cuenca oceánica sean más fuertes que las del límite oriental.

A medida que viaja hacia los polos, el agua tibia transportada por una fuerte corriente de agua tibia se enfría por evaporación. El enfriamiento es impulsado por el viento: el viento que se mueve sobre el agua enfría el agua y también provoca la evaporación, dejando una salmuera más salada. En este proceso, el agua se vuelve más salada y más densa. y descensos de temperatura. Una vez que se forma el hielo marino, las sales quedan fuera del hielo, un proceso conocido como exclusión de salmuera. Estos dos procesos producen agua más densa y fría. El agua a través del océano Atlántico norte se vuelve tan densa que comienza a hundirse a través de agua menos salada y menos densa. (Esta convección en el océano abierto no es diferente a la de una lámpara de lava). Esta corriente descendente de agua pesada, fría y densa se convierte en parte de las aguas profundas del Atlántico Norte, una corriente que va hacia el sur.

Convección del manto

Una placa oceánica se añade al al alza (izquierda) y consumida en una zona de subducción (derecha).

Convección del manto es el lento movimiento de arrastre del manto rocoso de la Tierra causado por corrientes de convección que transportan calor desde el interior de la tierra hacia la superficie. Es una de las 3 fuerzas impulsoras que hacen que las placas tectónicas se muevan alrededor de la superficie de la Tierra.

La superficie de la Tierra está dividida en varias placas tectónicas que se crean y consumen continuamente en los límites de sus placas opuestas. La creación (acreción) ocurre cuando se agrega manto a los bordes crecientes de una placa. Este material agregado caliente se enfría por conducción y convección de calor. En los bordes de consumo de la placa, el material se ha contraído térmicamente para volverse denso y se hunde por su propio peso en el proceso de subducción en una fosa oceánica. Este material subducido se hunde hasta cierta profundidad en el interior de la Tierra, donde está prohibido que se hunda más. La corteza oceánica subducida desencadena el vulcanismo.

La convección dentro del manto de la Tierra es la fuerza impulsora de la tectónica de placas. La convección del manto es el resultado de un gradiente térmico: el manto inferior es más caliente que el manto superior y, por lo tanto, es menos denso. Esto establece dos tipos principales de inestabilidades. En el primer tipo, las plumas se elevan desde el manto inferior y las regiones inestables correspondientes de la litosfera vuelven a gotear en el manto. En el segundo tipo, las placas oceánicas en subducción (que constituyen en gran medida la capa límite térmica superior del manto) se sumergen nuevamente en el manto y se mueven hacia abajo, hacia el límite entre el núcleo y el manto. La convección del manto se produce a un ritmo de centímetros por año, y se necesitan del orden de cientos de millones de años para completar un ciclo de convección.

Las mediciones del flujo de neutrinos del núcleo de la Tierra (ver kamLAND) muestran que la fuente de aproximadamente dos tercios del calor en el núcleo interno es la descomposición radiactiva de 40K, uranio y torio. Esto ha permitido que la tectónica de placas en la Tierra continúe por mucho más tiempo de lo que hubiera sido si simplemente hubiera sido impulsada por el calor remanente de la formación de la Tierra; o con calor producido a partir de la energía potencial gravitatoria, como resultado de la reorganización física de las porciones más densas del interior de la Tierra hacia el centro del planeta (es decir, un tipo de caída y asentamiento prolongados).

Efecto de acumulación

El efecto chimenea o efecto chimenea es el movimiento de aire dentro y fuera de edificios, chimeneas, chimeneas de gases de combustión u otros contenedores debido a la flotabilidad. La flotabilidad se produce debido a una diferencia en la densidad del aire del interior al exterior como resultado de las diferencias de temperatura y humedad. Cuanto mayor sea la diferencia térmica y la altura de la estructura, mayor será la fuerza de flotación y, por lo tanto, el efecto chimenea. El efecto chimenea ayuda a impulsar la ventilación natural y la infiltración. Algunas torres de refrigeración funcionan según este principio; de manera similar, la torre solar de tiro ascendente es un dispositivo propuesto para generar electricidad basado en el efecto chimenea.

Física estelar

Una ilustración de la estructura del Sol y una estrella gigante roja, mostrando sus zonas convectivas. Estas son las zonas granulares en las capas exteriores de estas estrellas.

La zona de convección de una estrella es el rango de radios en los que la energía se transporta principalmente por convección.

Los gránulos en la fotosfera del Sol son las partes superiores visibles de las células de convección en la fotosfera, causadas por la convección del plasma en la fotosfera. La parte ascendente de los gránulos se encuentra en el centro donde el plasma está más caliente. El borde exterior de los gránulos es más oscuro debido al plasma descendente más frío. Un gránulo típico tiene un diámetro del orden de 1.000 kilómetros y cada uno dura de 8 a 20 minutos antes de disiparse. Debajo de la fotosfera hay una capa de 'supergránulos' mucho más grandes. hasta 30.000 kilómetros de diámetro, con una vida útil de hasta 24 horas.

Convección de agua a temperaturas bajo cero

El agua es un fluido que no obedece a la aproximación de Boussinesq. Esto se debe a que su densidad varía de forma no lineal con la temperatura, lo que hace que su coeficiente de expansión térmica sea inconsistente cerca de las temperaturas de congelación. La densidad del agua alcanza un máximo a 4 °C y disminuye a medida que la temperatura se desvía. Este fenómeno se investiga mediante experimentos y métodos numéricos. El agua está inicialmente estancada a 10 °C dentro de una cavidad cuadrada. Se calienta diferencialmente entre las dos paredes verticales, donde las paredes izquierda y derecha se mantienen a 10 °C y 0 °C, respectivamente. La anomalía de densidad se manifiesta en su patrón de flujo. A medida que el agua se enfría en la pared derecha, aumenta la densidad, lo que acelera el flujo hacia abajo. A medida que se desarrolla el flujo y el agua se enfría aún más, la disminución de la densidad provoca una corriente de recirculación en la esquina inferior derecha de la cavidad.

Otro caso de este fenómeno es el evento de sobreenfriamiento, donde el agua se enfría a temperaturas bajo cero pero no comienza a congelarse inmediatamente. En las mismas condiciones que antes, se desarrolla el flujo. Posteriormente, la temperatura de la pared derecha se reduce a -10 °C. Esto hace que el agua en esa pared se sobreenfríe, cree un flujo en sentido contrario a las agujas del reloj e inicialmente domine la corriente cálida. Este penacho es causado por un retraso en la nucleación del hielo. Una vez que comienza a formarse hielo, el flujo vuelve a un patrón similar al anterior y la solidificación se propaga gradualmente hasta que se vuelve a desarrollar el flujo.

Reactores nucleares

En un reactor nuclear, la circulación natural puede ser un criterio de diseño. Se logra reduciendo la turbulencia y la fricción en el flujo de fluido (es decir, minimizando la pérdida de carga) y proporcionando una forma de eliminar cualquier bomba que no funcione en la ruta del fluido. Además, el reactor (como fuente de calor) debe estar físicamente más bajo que los generadores de vapor o las turbinas (el disipador de calor). De esta manera, la circulación natural asegurará que el fluido continúe fluyendo mientras el reactor esté más caliente que el disipador de calor, incluso cuando no se pueda suministrar energía a las bombas. Ejemplos notables son el S5G y reactores navales de los Estados Unidos S8G, que fueron diseñados para operar a una fracción significativa de la potencia total bajo circulación natural, silenciando esas plantas de propulsión. El reactor S6G no puede operar a potencia bajo circulación natural, pero puede usarlo para mantener el enfriamiento de emergencia mientras está apagado.

Por la naturaleza de la circulación natural, los fluidos normalmente no se mueven muy rápido, pero esto no es necesariamente malo, ya que las altas tasas de flujo no son esenciales para la operación segura y efectiva del reactor. En los reactores nucleares de diseño moderno, la inversión del flujo es casi imposible. Todos los reactores nucleares, incluso los diseñados para utilizar principalmente la circulación natural como método principal de circulación de fluidos, tienen bombas que pueden hacer circular el fluido en caso de que la circulación natural no sea suficiente.

Modelos matemáticos de convección

Se han derivado varios términos adimensionales para describir y predecir la convección, incluidos el número de Arquímedes, el número de Grashof, el número de Richardson y el número de Rayleigh.

En los casos de convección mixta (natural y forzada al mismo tiempo), a menudo le gustaría saber cuánto de la convección se debe a restricciones externas, como la velocidad del fluido en la bomba, y cuánto se debe a la convección natural que se produce. en el sistema.

Las magnitudes relativas del número Grashof y la plaza del número Reynolds determinan qué forma de convección domina. Si ${displaystyle {rm {cH00}}}$, la convección forzada puede ser descuidada, mientras que si ${displaystyle {rm {fnK}ll}}$, la convección natural puede ser descuidada. Si la relación, conocida como el número de Richardson, es aproximadamente una, hay que tener en cuenta la convección tanto forzada como natural.

Inicio

El inicio de la convección natural está determinado por el número de Rayleigh (Ra). Este número adimensional está dado por

${displaystyle {textbf}={frac} {Delta rho gL^{3}{3}{ D 'mu'}$

dónde

• ${displaystyle Delta rho }$ es la diferencia de densidad entre las dos parcelas de material que se mezclan
• ${displaystyle g}$ es la aceleración gravitacional local
• ${displaystyle L.$ es la longitud característica de la convección: la profundidad de la olla hirviendo, por ejemplo
• ${displaystyle D}$ es la difusividad de la característica que está causando la convección, y
• ${displaystyle mu }$ es la viscosidad dinámica.

La convección natural será más probable y/o más rápida con una mayor variación en la densidad entre los dos fluidos, una mayor aceleración debido a la gravedad que impulsa la convección y/o una mayor distancia a través del medio de convección. La convección será menos probable y/o menos rápida con una difusión más rápida (difundiendo así el gradiente que está causando la convección) y/o un fluido más viscoso (pegajoso).

Para la convección térmica debida al calentamiento desde abajo, como se describe en el crisol anterior, la ecuación se modifica para la expansión térmica y la difusividad térmica. Las variaciones de densidad debidas a la dilatación térmica vienen dadas por:

${displaystyle Delta rho =rho _{0}beta Delta T}$

dónde

• ${displaystyle rho _{0}$ es la densidad de referencia, típicamente escogida para ser la densidad promedio del medio,
• ${displaystyle beta }$ es el coeficiente de expansión térmica, y
• ${displaystyle Delta T}$ es la diferencia de temperatura a través del medio.

La difusividad general, ${displaystyle D}$, se redefine como una difusividad térmica, ${displaystyle alpha }$.

${displaystyle D=alpha }$

La inserción de estas sustituciones produce un número de Rayleigh que se puede utilizar para predecir la convección térmica.

${displaystyle {textbf}={frac {rho _{0}gbeta Delta TL^{3}{alpha mu}}} {}} {c}} {c}}} {c}}} {cc}}}}}}}}} {c}}}}}}}}}}}}} {c}}}}} {c}}}}}}}}}}}}}}}$

Turbulencia

La tendencia de un sistema convectivo natural particular hacia la turbulencia se basa en el número de Grashof (Gr).

${displaystyle Gr={frac {gbeta ¿Qué?$

En fluidos viscosos muy pegajosos (grandes ν), el movimiento del fluido está restringido y la convección natural no será turbulenta.

Tras el tratamiento de la subsección anterior, la velocidad típica del fluido es del orden ${displaystyle gDelta rho L^{2}/mu }$, hasta un factor numérico dependiendo de la geometría del sistema. Por lo tanto, el número Grashof se puede considerar como el número Reynolds con la velocidad de la convección natural reemplazando la velocidad en la fórmula del número Reynolds. Sin embargo En la práctica, cuando se refiere al número de Reynolds, se entiende que uno está considerando la convección forzada, y la velocidad se toma como la velocidad dictada por restricciones externas (ver abajo).

Comportamiento

El número de Grashof se puede formular para la convección natural que se produce debido a un gradiente de concentración, a veces denominada convección termosolutal. En este caso, una concentración de fluido caliente se difunde en un fluido frío, de la misma manera que la tinta vertida en un recipiente con agua se difunde para teñir todo el espacio. Después:

${displaystyle Gr={frac {gbeta ¿Qué?$

La convección natural depende en gran medida de la geometría de la superficie caliente, existen varias correlaciones para determinar el coeficiente de transferencia de calor. Una correlación general que se aplica a una variedad de geometrías es

${displaystyle Nu=left[Nu_{0}{frac} {1}{2}}+Ra^{frac {1}{6}left({frac {f_{4}left(Prright)}{300}}}right)}{frac {1}{6}right]}{2}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}} {}}}}} {}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

El valor de f₄(Pr) se calcula mediante la siguiente fórmula

${displaystyle f_{4}(Pr)=left[1+left({frac {0.5}{Pr}}right)}{frac {9}{16}right]^{frac}{frac}}right] {-16}{9}}$

Nu es el número de Nusselt y los valores de Nu₀ y la longitud característica utilizada para calcular Ra se enumeran a continuación (ver también Discusión):

Geometría	Longitud caracterizada	Nu0
Plano inclinado	x (Distancia a lo largo del avión)	0,688
Disco inclinado	9D/11 (D = diámetro)	0,56
Cilindro vertical	x (altura de cilindro)	0,688
Cone	4x/5 (x = distancia a lo largo de la superficie inclinada)	0,544
Cilindro horizontal	${displaystyle pi D/2}$ (D = diámetro del cilindro)	0.36${displaystyle pi}$

Advertencia: Los valores indicados para el Cilindro horizontal son incorrectos; ver discusión.

Convección natural desde una placa vertical

Un ejemplo de convección natural es la transferencia de calor desde una placa vertical isotérmica sumergida en un fluido, lo que hace que el fluido se mueva paralelo a la placa. Esto ocurrirá en cualquier sistema en el que la densidad del fluido en movimiento varíe con la posición. Estos fenómenos solo tendrán importancia cuando el fluido en movimiento se vea mínimamente afectado por la convección forzada.

Cuando se considera que el flujo de fluido es el resultado del calentamiento, se pueden usar las siguientes correlaciones, suponiendo que el fluido es un diatómico ideal, tiene una placa vertical adyacente a temperatura constante y el flujo del fluido es completamente laminar.

Nu_m = 0,478(Gr^0,25)

Número medio de Nusselt = Nu_m = h_mL/k

dónde

• h_m = coeficiente medio aplicable entre el borde inferior de la placa y cualquier punto en una distancia L (W/m)²K)
• L = altura de la superficie vertical (m)
• k = conductividad térmica (W/m. K)

Número de Grashof = Gr = ${displaystyle [gL^{3}(t_{s}-t_{infty)]/v^{2}T}$

dónde

• g = aceleración gravitacional (m/s²)
• L = distancia por encima del borde inferior (m)
• t_s = temperatura de la pared (K)
• t∞ = temperatura de fluido fuera de la capa de límite térmico (K)
• v = viscosidad cinemática del líquido (m2/s)
• T = temperatura absoluta (K)

Cuando el flujo es turbulento, se deben usar diferentes correlaciones que involucran el número de Rayleigh (una función tanto del número de Grashof como del número de Prandtl).

Nota que la ecuación anterior difiere de la expresión habitual para el número Grashof porque el valor ${displaystyle beta }$ ha sido reemplazado por su aproximación ${displaystyle 1/T}$, que se aplica sólo para los gases ideales (una aproximación razonable para el aire a presión ambiente).

Formación de patrones

Un fluido bajo la convección Rayleigh–Bénard: la imagen izquierda representa el campo térmico y la imagen derecha su transformación bidimensional Fourier.

La convección, especialmente la convección de Rayleigh-Bénard, donde el fluido de convección está contenido por dos placas horizontales rígidas, es un ejemplo conveniente de un sistema de formación de patrones.

Cuando el calor ingresa al sistema desde una dirección (generalmente desde abajo), en valores pequeños, simplemente se difunde (conduce) desde abajo hacia arriba, sin causar flujo de fluido. A medida que aumenta el flujo de calor, por encima de un valor crítico del número de Rayleigh, el sistema sufre una bifurcación desde el estado conductor estable al estado convectivo, donde el movimiento masivo del comienza el fluido debido al calor. Si los parámetros del fluido distintos de la densidad no dependen significativamente de la temperatura, el perfil de flujo es simétrico, con el mismo volumen de fluido subiendo que bajando. Esto se conoce como convección de Boussinesq.

A medida que aumenta la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del fluido, pueden desarrollarse diferencias significativas en los parámetros del fluido, además de la densidad, debido a la temperatura. Un ejemplo de dicho parámetro es la viscosidad, que puede comenzar a variar significativamente horizontalmente a través de las capas de fluido. Esto rompe la simetría del sistema y generalmente cambia el patrón del fluido que se mueve hacia arriba y hacia abajo de rayas a hexágonos, como se ve a la derecha. Tales hexágonos son un ejemplo de una celda de convección.

A medida que el número de Rayleigh aumenta aún más por encima del valor donde aparecen por primera vez las celdas de convección, el sistema puede sufrir otras bifurcaciones y pueden comenzar a aparecer otros patrones más complejos, como espirales.