Transferencia de calor por convección (con ejemplos)
La transferencia de calor por convección ocurre a través del movimiento de un fluido, que puede ser gas o líquido. Como la densidad disminuye al aumentar la temperatura, las masas de fluido más caliente se elevan, mientras que las porciones más frías descienden. De esta forma se produce un movimiento de masas de fluido, a través del cual el calor se transporta de un lado a otro.
Esta es la característica que distingue a la convección de la conducción y la radiación, porque en la convección siempre existe un desplazamiento neto de masas. En cambio, la radiación no precisa de un medio material para propagarse y en cuanto a la transmisión por conducción, se debe a las colisiones sucesivas entre átomos y moléculas, sin movimiento neto de materia.
No obstante, a nivel de la atmósfera y los océanos, sí es fácil que ocurran desplazamientos de grandes masas de aire y agua. Es por ello que la convección es el mecanismo de transferencia de energía preponderante en estos medios, y es el que determina en gran medida el clima de la Tierra.
En una cocina casera se pueden ver de cerca los mecanismos de transferencia de calor. Basta con poner agua a calentar en una cacerola. La porción de fluido que está más cerca de la llama de la hornilla se calienta, su densidad disminuye y se eleva. Su lugar es ocupado por agua más fría, que desciende al fondo la olla.
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Cuando una porción de fluido se calienta, sus moléculas se mueven con mayor rapidez y se apartan unas de otras. Por esa razón el fluido a mayor temperatura se torna menos denso y es capaz de ascender por flotación, llevando consigo el calor.
Entonces una masa de fluido más fría ocupa el lugar dejado por estas moléculas ascendentes y este intercambio continuo genera las llamadas corrientes de convección.
Esto se puede lograr de dos formas: por convección natural (libre) o por convección forzada. Asimismo, ambas formas de convección están presentes en los sistemas de calefacción central o en las centrales de energía solar.
A continuación se explica en qué consiste cada uno:
En este mecanismo, el calor fluye únicamente gracias a que la diferencia de temperatura del fluido en cuestión, en presencia de la gravedad terrestre, produce un cambio en la densidad, que hace que la porción más caliente suba por flotación y las más frías bajen. Sin la gravedad no hay convección natural.
Hay un experimento sencillo en el laboratorio que permite visualizar estas corrientes de convección natural cuando se forman en el agua.
Se requiere una tubería de vidrio doblada en forma cuadrada o rectangular y un colorante que haga visibles las corrientes ascendentes. Este es por lo general permanganato de potasio, que tiñe el agua de color violeta o bien gotas de alguna clase de tinta.
Ahora se calienta una de las esquinas inferiores de la tubería y la densidad de la porción de agua que está justo sobre la flama disminuye y se eleva, siendo reemplazada por una porción de agua más fría.
Este proceso de intercambio continuo entre agua fría y caliente genera una corriente de convección en sentido contrario al reloj, que se observa gracias al colorante violeta, como se muestra en la figura superior.
También se puede obligar al fluido a circular para que transmita el calor, en vez de dejar que las corrientes de convección se produzcan naturalmente por la diferencia de densidades.
Cuando la convección se produce gracias a medios externos que impulsan el fluido, tales como un ventilador o una bomba, se trata de convección forzada. El fluido puede ser obligado a fluir a través de una tubería, como en los sistemas de calefacción central de las casas, el radiador de un automóvil o bien en un espacio más abierto, gracias a un ventilador de aspas.
El sistema de calefacción central en una casa hace uso de la transferencia de calor por convección en el agua.
Para ello hay que hacer circular agua caliente a través de tuberías bajo el piso, desde una caldera central. De esta manera el agua transfiere calor a los radiadores o calefactores y de estos el calor pasa a las habitaciones, mientras que el agua fría regresa nuevamente a la caldera de calefacción para repetir el ciclo.
Como se puede apreciar, tanto la convección natural como la forzada están presentes en el mecanismo de la calefacción central.
Las fuentes de calor como los radiadores calientan el aire que las rodea y este se eleva, mientras que el aire de la parte superior desciende, generando corrientes de aire convectivas en la habitación caldeada.
Cada vez que los alimentos se hierven en agua o se sumergen en aceite para freír, se cocinan mediante calor transferido por convección.
En la pasteurización la leche y otros alimentos líquidos se calientan a elevadas temperaturas durante determinados lapsos de tiempo, según la variante de pasteurización que se use. Esto se hace con el fin de eliminar las bacterias y aumentar la durabilidad del producto.
La convección es el principal mecanismo de transferencia de calor en estos casos, aunque otros mecanismos, como la conducción, no están excluidos.
Las corrientes de convección en la atmósfera causan los vientos. Estas corrientes se forman debido a muchos factores, entre ellos el hecho de que la superficie de la Tierra se calienta de forma desigual.
Por ejemplo, durante el día la playa se calienta más que el agua del mar, así que la flotación hace que el aire encima de la playa ascienda y el aire más frío, llegado desde el mar, ocupa su lugar.
Pero en la noche el proceso ocurre a la inversa, ya que la playa pierde calor más rápido que el agua y el aire más cálido se dirige hacia el mar. Por eso en una fogata nocturna en la playa, el humo se mueve hacia el mar, mientras que si se hace la fogata durante el día, el humo se mueve hacia tierra.
La Tierra está compuesta por capas, y el núcleo tiene una capa externa, a alta temperatura, que no está solidificada. El movimiento del planeta crea corrientes de convección en este fluido, que se cree son las responsables del campo magnético de la Tierra.
Los campos magnéticos se deben a la presencia de cargas eléctricas en movimiento. Los iones y partículas cargadas presentes en el núcleo externo son capaces de generar este campo, ya que los movimientos planetarios hacen que dichas partículas tengan un comportamiento semejante al de pequeñas espiras (circuitos cerrados) de corriente.
Los científicos han encontrado una correlación entre la intensidad del campo magnético y la velocidad de rotación del planeta. Se cree que el débil campo magnético de Venus se debe a que su velocidad de rotación es menor que la de Júpiter, cuyo campo magnético es mucho más intenso.
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