Convección

La convección es un flujo de fluido monofásico o multifásico que se produce espontáneamente debido a los efectos combinados de la heterogeneidad de las propiedades del material y las fuerzas del cuerpo sobre un fluido , más comúnmente la densidad y la gravedad (ver flotabilidad ). Cuando no se especifica la causa de la convección, se puede suponer que se debe 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 petróleo y agua ) o de estado estacionario (ver célula de convección ). La convección puede deberse a fuerzas gravitacionales , electromagnéticas o de cuerpos ficticios . La transferencia de calor por convección natural desempeña un papel en la estructura de la atmósfera de la Tierra , sus océanos y su manto . Las células convectivas discretas en la atmósfera se pueden identificar por las nubes , y la convección más fuerte da lugar a tormentas eléctricas . La convección natural también desempeña un papel en la física estelar . La convección a menudo se clasifica o describe por el efecto principal que causa el flujo convectivo; por ejemplo, la convección térmica.

La convección no puede tener lugar en la mayoría de los sólidos porque no pueden producirse flujos de corriente en masa ni una difusión significativa de la materia. La convección granular es un fenómeno similar en material granular en lugar de fluidos. La advección es el movimiento de fluidos creado por la velocidad en lugar de gradientes térmicos. La transferencia de calor por convección es el uso intencional de la convección como método de transferencia de calor . La convección es un proceso en el que el calor se transporta de un lugar a otro mediante el movimiento en masa de un fluido y gases.

En la década de 1830, en The Bridgewater Treatises , el término convección aparece atestiguado en un sentido científico. En el tratado VIII de William Prout , en el libro sobre química , se dice: ^[1]

[...] Este movimiento de calor se produce de tres maneras, como lo ilustra muy bien una chimenea común. Si, por ejemplo, colocamos un termómetro directamente delante del fuego, pronto comienza a subir, lo que indica un aumento de temperatura. En este caso, el calor se ha abierto paso a través del espacio entre el fuego y el termómetro, mediante el proceso llamado radiación . Si colocamos un segundo termómetro en contacto con cualquier parte de la rejilla, y lejos de la influencia directa del fuego, encontraremos que este termómetro también denota un aumento de temperatura; pero en este caso, el calor debe haber viajado a través del metal de la rejilla, por lo que se llama conducción . Por último, un tercer termómetro colocado en la chimenea, lejos de la influencia directa del fuego, también indicará un aumento considerable de temperatura; en este caso, una parte del aire, que pasa a través y cerca del fuego, se ha calentado y ha llevado por la chimenea la temperatura adquirida del fuego. En la actualidad, no hay un solo término en nuestro idioma empleado para denotar este tercer modo de propagación del calor; pero nos aventuramos a proponer para ese propósito el término convección , [en nota al pie: [latín] Convectio , llevar o transportar] que no sólo expresa el hecho principal, sino que también concuerda 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 calor a través del agua".

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

En mecánica de fluidos , la convección tiene un sentido más amplio: se refiere al movimiento de un fluido impulsado por la diferencia de densidad (u otra propiedad). ^{[2] [3]}

En termodinámica , la convección a menudo se refiere a la transferencia de calor por convección , donde la variante con prefijo Convección natural se utiliza para distinguir el concepto de mecánica de fluidos de Convección (cubierto en este artículo) de la transferencia de calor convectiva. ^[4]

Algunos fenómenos que producen un efecto superficialmente similar al de una célula convectiva también pueden denominarse (de manera incorrecta) una forma de convección; por ejemplo, la convección termocapilar y la convección granular .

La convección puede ocurrir en fluidos de todas las escalas, más allá de unos pocos átomos. Existen diversas circunstancias en las que surgen las fuerzas necesarias para la convección, lo que da lugar a diferentes tipos de convección, que se describen a continuación. En términos generales, la convección surge debido a las fuerzas corporales que actúan dentro del fluido, como la gravedad.

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La convección natural es un flujo cuyo movimiento se debe a que algunas partes de un fluido son más pesadas que otras. En la mayoría de los casos, esto conduce a la circulación natural : la capacidad de un fluido en un sistema de circular continuamente por gravedad, con transferencia de energía térmica.

La fuerza impulsora de la convección natural es la gravedad. En una columna de fluido, la presión aumenta con la profundidad debido al peso del fluido que se encuentra sobre ella. La presión en la parte inferior de un objeto sumergido supera entonces a la de la parte superior, lo que da como resultado una fuerza de flotabilidad ascendente neta igual al peso del fluido desplazado. Los objetos de mayor densidad que la del fluido desplazado se hunden. Por ejemplo, las regiones de aire más cálido y de baja densidad se elevan, mientras que las de aire más frío y de alta densidad se hunden. Esto crea un flujo circulante: la convección.

La gravedad impulsa la convección natural. Sin gravedad, no se produce convección, por lo que 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 calientes y frías 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 una gran atención de los investigadores debido a su presencia tanto en la naturaleza como en aplicaciones de ingeniería. En la naturaleza, las células de convección formadas a partir del aire que se eleva por encima de la tierra o el agua calentadas por la luz solar son una característica importante de todos los sistemas meteorológicos. La convección también se observa en la columna ascendente de aire caliente proveniente del fuego , la tectónica de placas , las corrientes oceánicas ( circulación termohalina ) y la formación de vientos marinos (donde la convección ascendente también se modifica 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 flujos de fluidos alrededor de aletas de disipación de calor envueltas y estanques solares. Una aplicación industrial muy común de la convección natural es el enfriamiento de aire libre sin la ayuda de ventiladores: esto puede suceder en pequeñas escalas (chips de computadora) a equipos de proceso a gran escala.

La convección natural será más probable y más rápida cuanto mayor sea la variación de densidad entre los dos fluidos, mayor sea la aceleración debida a la gravedad que impulsa la convección o mayor sea la distancia a través del medio convectivo. La convección natural será menos probable y menos rápida cuanto mayor sea la difusión (difundiendo así el gradiente térmico que causa la convección) o cuanto más viscoso sea el fluido (pegajoso).

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

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, no todos los tipos de convección por flotabilidad, incluida la convección natural, ocurren en entornos de microgravedad . Todos requieren la presencia de un entorno que experimente 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 "carga térmica impulsora". Un sistema de fluido diseñado para la circulación natural tendrá una fuente de calor y un disipador de calor . Cada uno de ellos está en contacto con parte del fluido en el sistema, pero no con todo. La fuente de calor está ubicada más abajo que el disipador de calor.

La mayoría de los fluidos se expanden cuando se calientan, volviéndose menos densos , y se contraen cuando se enfrían, volviéndose más densos. En la fuente de calor de un sistema de circulación natural, el fluido calentado se vuelve más ligero que el fluido que lo rodea y, por lo tanto, se eleva. 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.

La convección gravitacional es un tipo de convección natural inducida por variaciones de flotabilidad resultantes de propiedades materiales distintas de la temperatura. Normalmente, esto se debe a una composición variable del fluido. Si la propiedad variable es un gradiente de concentración, se conoce como convección solutal . ^[5] Por ejemplo, la convección gravitacional se puede observar en la difusión de una fuente de sal seca hacia abajo en el suelo húmedo debido a la flotabilidad del agua dulce en solución salina. ^[6]

La salinidad variable del agua y el contenido variable de agua en las masas de aire son causas frecuentes de convección en los océanos y la atmósfera que no implican calor, o bien implican factores de densidad compositivos adicionales además de los cambios de densidad debidos a la expansión térmica (véase 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 a mayor profundidad), continúa causando una fracción de la convección de roca fluida y metal fundido dentro del interior de la Tierra (véase más abajo).

La convección gravitacional, al igual que la convección térmica natural, también requiere un entorno de fuerza g para ocurrir.

Se cree que la convección de hielo en Plutón se produce en una mezcla blanda de hielo de nitrógeno y de monóxido de carbono . También se ha propuesto que se produce en Europa ^[7] y en otros cuerpos del Sistema Solar exterior. ^[7]

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 magnética no uniforme, que conduce al movimiento del fluido. Un ferrofluido es un líquido que se magnetiza fuertemente en presencia de un campo magnético .

En un entorno de gravedad cero , no puede haber fuerzas de flotabilidad 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 lugar a gases de expansión y contracción permiten la ventilación de la llama, ya que los gases residuales son desplazados por gas fresco, rico en oxígeno y frío. El agua que sale de la llama se desplaza para ocupar las zonas de baja presión creadas cuando el agua que sale de la llama se condensa.

Los sistemas de circulación natural incluyen tornados y otros sistemas meteorológicos , corrientes oceánicas y ventilación doméstica . Algunos calentadores de agua solares utilizan la 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 atmósferas , océanos y mantos planetarios , y proporciona el mecanismo de transferencia de calor para una gran fracción de los interiores más externos del Sol y todas las estrellas. El movimiento de fluidos durante la convección puede ser invisiblemente lento, o puede ser obvio y rápido, como en un huracán . A 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.

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. Si se agrega un tinte al agua (como colorante alimentario), se podrá visualizar el flujo. ^{[8] [9]}

Otro experimento común para demostrar la convección térmica en líquidos implica sumergir recipientes abiertos de líquido caliente y frío coloreados con tinte en un recipiente grande del mismo líquido sin tinte a una temperatura intermedia (por ejemplo, un frasco de agua caliente del grifo coloreado de rojo, un frasco de agua enfriada en un refrigerador coloreado de azul, sumergidos en un tanque transparente de agua a temperatura ambiente). ^[10]

Un tercer método consiste en utilizar dos frascos idénticos, uno lleno de agua caliente teñida de un color y otro de agua fría de otro color. Luego, uno de los frascos se sella temporalmente (por ejemplo, con un trozo de cartón), se le da la vuelta y se coloca encima del otro. Cuando se retira el cartón, si el frasco que contiene el líquido más caliente se coloca encima, no se producirá convección. Si se coloca encima el frasco que contiene el líquido más frío, se formará una corriente de convección espontáneamente. ^[11]

La convección en los gases se puede demostrar utilizando una vela en un espacio sellado con un puerto de entrada y otro de escape. 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 escape respectivamente. ^[12]

Una celda de convección , también conocida como celda de Bénard , es un patrón característico de flujo de fluido en muchos sistemas de convección. Un cuerpo de fluido ascendente normalmente pierde calor porque encuentra una superficie más fría. En un líquido, esto ocurre porque intercambia calor con un líquido más frío a través del intercambio directo. En el ejemplo de la atmósfera de la Tierra, 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 ascendiendo. Como no puede descender a través del fluido ascendente, se mueve 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, se calienta nuevamente y el ciclo se repite. Además, las celdas de convección pueden surgir debido a variaciones de densidad resultantes de diferencias en la composición de los electrolitos. ^[13]

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 (rezagado). 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 se produce porque la radiación solar incidente por unidad de área es más alta en el ecuador térmico y disminuye a medida que aumenta la latitud , alcanzando mínimos en los polos. Consta de dos celdas de convección primarias, la celda de Hadley y el vórtice polar , donde la celda de Hadley experimenta una convección más fuerte debido a la liberación de energía térmica latente por condensación de vapor de agua a mayores altitudes durante la formación de nubes.

Por otra parte, la circulación longitudinal se produce porque el océano tiene una capacidad calorífica específica mayor que la tierra (y también conductividad térmica , lo que permite que el calor penetre más profundamente bajo la superficie) y, por lo tanto, absorbe y libera más calor , pero la temperatura cambia menos que en la tierra. Esto lleva la brisa marina, aire enfriado por el agua, a la costa durante el día, y lleva la brisa terrestre, 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 .

Algunos fenómenos más localizados que el movimiento atmosférico global también se deben a la convección, incluidos el viento y algunos del ciclo hidrológico . Por ejemplo, un viento foehn es un viento descendente que se produce en el lado de sotavento de una cadena montañosa. Resulta del calentamiento adiabático del aire que ha dejado caer la mayor parte de su humedad en las laderas barlovento. ^[14] Debido a las diferentes tasas de gradiente adiabático del aire húmedo y seco, el aire en las laderas de sotavento se vuelve más cálido que a la misma altura en las laderas barlovento.

Una columna térmica (o térmica) es una sección vertical de aire ascendente en las altitudes más bajas de la atmósfera terrestre. Las térmicas se crean por el calentamiento desigual de la superficie de la Tierra a causa de la radiación solar. El Sol calienta el suelo, que a su vez calienta el aire directamente sobre él. El aire más cálido se expande, volviéndose menos denso que la masa de aire circundante y creando una baja térmica . ^{[15] [16]} La masa de aire más ligero se eleva y, al hacerlo, se enfría por expansión a presiones de aire más bajas. Deja de ascender cuando se ha enfriado a la misma temperatura que el aire circundante. Asociado a una térmica hay un flujo descendente que rodea la columna térmica. El movimiento hacia abajo del exterior se debe al aire más frío que se desplaza en la parte superior de la térmica. Otro efecto meteorológico impulsado por la convección es la brisa marina . ^{[17] [18]}

El aire cálido tiene una densidad menor que el aire frío, por lo que el aire cálido se eleva dentro del aire más frío, ^[19] de manera similar a los globos aerostáticos . ^[20] Las nubes se forman cuando el aire relativamente más cálido que transporta humedad se eleva dentro del aire más frío. A medida que el aire húmedo se eleva, se enfría, lo que hace que parte del vapor de agua en el paquete de aire ascendente se condense . ^[21] 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 circundante, ^[22] continuando la ascensión de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará el tiempo suficiente para que se formen las nubes cumulonimbus , que sustentan los rayos y los 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 de madurez y la etapa de disipación . ^[23] La tormenta eléctrica promedio tiene un diámetro de 24 km (15 mi). Dependiendo de las condiciones presentes en la atmósfera, estas tres etapas tardan un promedio de 30 minutos en completarse. ^[24]

La radiación solar afecta a los océanos: el agua cálida del Ecuador tiende a circular hacia los polos , mientras que el agua fría de los polos 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, ^[25] y los vientos del oeste soplan hacia el este en latitudes medias. ^[26] Este patrón de viento aplica una tensión a la superficie del océano subtropical con una curvatura negativa en el hemisferio norte , ^[27] y a la inversa en el hemisferio sur . El transporte de Sverdrup resultante es hacia el ecuador. ^[28] Debido a la conservación de la vorticidad potencial causada por los vientos que se mueven hacia los polos en la periferia occidental de la dorsal subtropical y la mayor vorticidad relativa del agua que se mueve hacia los polos, el transporte se equilibra con una corriente estrecha y acelerada hacia los polos, que fluye a lo largo del límite occidental de la cuenca oceánica, compensando los efectos de la fricción con la corriente fría del límite occidental que se origina en latitudes altas. ^[29] 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. ^[30]

A medida que viaja hacia los polos, el agua caliente transportada por una fuerte corriente de agua caliente sufre un enfriamiento por evaporación. El enfriamiento es impulsado por el viento: el viento que se mueve sobre el agua enfría el agua y también causa evaporación , dejando una salmuera más salada. En este proceso, el agua se vuelve más salada y más densa y disminuye su temperatura. Una vez que se forma el hielo marino, las sales quedan fuera del hielo, un proceso conocido como exclusión de salmuera. ^[31] Estos dos procesos producen agua más densa y más 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 mar 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 se dirige hacia el sur. ^[32]

La convección del manto es el movimiento lento y progresivo del manto rocoso de la Tierra causado por corrientes de convección que transportan calor desde el interior de la Tierra hasta la superficie. ^[33] Es una de las tres fuerzas impulsoras que hacen que las placas tectónicas se muevan alrededor de la superficie de la Tierra. ^[34]

La superficie de la Tierra está dividida en varias placas tectónicas que se crean y se consumen continuamente en sus límites opuestos. La creación ( acreción ) ocurre cuando se agrega manto a los bordes en crecimiento de una placa. Este material caliente agregado 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 a cierta profundidad en el interior de la Tierra, donde se le impide hundirse 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 columnas se elevan desde el manto inferior y las regiones inestables correspondientes de la litosfera gotean de nuevo hacia 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 de nuevo en el manto y se mueven hacia abajo hacia el límite entre el núcleo y el manto . La convección del manto se produce a velocidades de centímetros por año y lleva del orden de cientos de millones de años completar un ciclo de convección.

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

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

La zona de convección de una estrella es el rango de radios en el que la energía se transporta hacia afuera desde la región central principalmente por convección en lugar de radiación . Esto ocurre en radios que son lo suficientemente opacos como para que la convección sea más eficiente que la radiación para transportar energía. ^[35]

Los gránulos de la fotosfera del Sol son las partes superiores visibles de las células de convección de 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 más frío que desciende. Un gránulo típico tiene un diámetro del orden de 1.000 kilómetros y cada uno dura entre 8 y 20 minutos antes de disiparse. Debajo de la fotosfera hay una capa de "supergránulos" mucho más grandes, de hasta 30.000 kilómetros de diámetro, con una vida útil de hasta 24 horas.

El agua es un fluido que no obedece la aproximación de Boussinesq. ^[36] 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. ^{[37] [38]} 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. ^[36] 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. ^{[36] [39] [40] [41]} A medida que el agua se enfría en la pared derecha, la densidad aumenta, 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 superenfriamiento , donde el agua se enfría a temperaturas bajo cero pero no comienza a congelarse inmediatamente. ^{[38] [42]} En las mismas condiciones que antes, se desarrolla el flujo. Después, la temperatura de la pared derecha disminuye a −10 °C. Esto hace que el agua en esa pared se sobreenfríe, cree un flujo en sentido antihorario e inicialmente domine la corriente cálida. ^[36] Esta columna es causada por un retraso en la nucleación del hielo . ^{[36] [38] [42]} Una vez que el hielo comienza a formarse, el flujo regresa a un patrón similar al anterior y la solidificación se propaga gradualmente hasta que el flujo se vuelve a desarrollar. ^[36]

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 inoperativa del camino del fluido. Además, el reactor (como fuente de calor) debe estar físicamente más bajo que los generadores de vapor o turbinas (el disipador de calor). De esta manera, la circulación natural asegurará que el fluido continuará 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 los reactores navales de los Estados Unidos S5G ^{[43] [44] [45]} y S8G ^{[46] [47] [48]} , 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 usarla para mantener la refrigeración de emergencia mientras está apagado.

Por la naturaleza de la circulación natural, los fluidos no suelen moverse muy rápido, pero esto no es necesariamente malo, ya que los caudales elevados no son esenciales para el funcionamiento seguro y eficaz del reactor. En los reactores nucleares de diseño moderno, la inversión del flujo es casi imposible. Todos los reactores nucleares, incluso aquellos 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.

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 que ocurren juntas), a menudo sería conveniente 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 ocurre en el sistema.

Las magnitudes relativas del número de Grashof y el cuadrado del número de Reynolds determinan qué forma de convección predomina. Si , se puede despreciar la convección forzada, mientras que si , se puede despreciar la convección natural. Si la relación, conocida como el número de Richardson , es aproximadamente uno, entonces se deben tener en cuenta tanto la convección forzada como la natural.${\displaystyle {\rm {Gr/Re^{2}\gg 1}}}$${\displaystyle {\rm {Gr/Re^{2}\ll 1}}}$

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

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

dónde

• ${\displaystyle \Delta \rho }$es la diferencia de densidad entre las dos parcelas de material que se están mezclando
• ${\displaystyle g}$es la aceleración gravitacional local
• ${\displaystyle L}$es la escala de 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 cuanto mayor sea la variación de densidad entre los dos fluidos, mayor sea la aceleración debida a la gravedad que impulsa la convección y/o mayor sea la distancia a través del medio convectivo. La convección será menos probable y/o menos rápida cuanto mayor sea la difusión (difundiendo así el gradiente que causa la convección) y/o un fluido más viscoso (pegajoso).

En el caso de la convección térmica debida al calentamiento desde abajo, como se describe en el ejemplo anterior, la ecuación se modifica para la expansión térmica y la difusividad térmica. Las variaciones de densidad debidas a la expansión térmica se dan por:

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

dónde

• ${\displaystyle \rho _{0}}$es la densidad de referencia, normalmente elegida como 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, , se redefine como difusividad térmica , .${\displaystyle D}$${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle D=\alpha }$

La inserción de estas sustituciones produce un número de Rayleigh que puede utilizarse para predecir la convección térmica. ^[49]

${\displaystyle {\textbf {Ra}}={\frac {\rho _{0}g\beta \Delta TL^{3}}{\alpha \mu }}}$

La tendencia de un sistema convectivo natural particular hacia la turbulencia depende del número de Grashof (Gr). ^[50]

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

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

Siguiendo el tratamiento del apartado anterior, la velocidad típica del fluido es del orden de , hasta un factor numérico que depende de la geometría del sistema. Por tanto, el número de Grashof puede considerarse como el número de Reynolds , en el que la velocidad de convección natural sustituye a la velocidad en la fórmula del número de Reynolds. Sin embargo, en la práctica, cuando se hace referencia al número de Reynolds, se entiende que se está considerando la convección forzada, y la velocidad se toma como la velocidad dictada por restricciones externas (véase más adelante).${\displaystyle g\Delta \rho L^{2}/\mu }$

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. Entonces:

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta CL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

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

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

El valor de f ₄ (Pr) se calcula utilizando la siguiente fórmula

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

Nu es el número de Nusselt y los valores de Nu ₀ y la longitud característica utilizados para calcular Re se enumeran a continuación (ver también Discusión):

Geometría	Longitud característica	Numero 0
Plano inclinado	x (Distancia a lo largo del plano)	0,68
Disco inclinado	9D/11 (D = diámetro)	0,56
Cilindro vertical	x (altura del cilindro)	0,68
Cono	4x/5 (x = distancia a lo largo de la superficie inclinada)	0,54
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.

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 en 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 serán importantes cuando el fluido en movimiento se vea mínimamente afectado por la convección forzada. ^[51]

Al considerar que el flujo de fluido es resultado del calentamiento, se pueden utilizar las siguientes correlaciones, asumiendo que el fluido es diatómico ideal, tiene adyacente a una placa vertical a temperatura constante y el flujo del fluido es completamente laminar. ^[52]

Número _m = 0,478 (Gr ^0,25 ) ^[52]

Número medio de Nusselt = Nu _m = h _m L/k ^[52]

dónde

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

Número de Grashof = Gr = ^{[51] [52]}${\displaystyle [gL^{3}(t_{s}-t_{\infty })]/v^{2}T}$

dónde

• g = aceleración gravitacional (m/s ² )
• L = distancia por encima del borde inferior (m)
• t _s = temperatura de la pared (K)
• t∞ = temperatura del fluido fuera de la capa límite térmica (K)
• v = viscosidad cinemática del fluido (m ² /s)
• T = temperatura absoluta (K)

Cuando el flujo es turbulento se deben utilizar diferentes correlaciones que involucran el Número de Rayleigh (una función tanto del número de Grashof como del número de Prandtl ). ^[52]

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

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

Cuando el calor se introduce en el sistema desde una dirección (normalmente hacia abajo), en valores pequeños simplemente se difunde ( conduce ) desde abajo hacia arriba, sin provocar un 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 de conducción estable al estado de convección , donde comienza el movimiento en masa del 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 que sube y baja. Esto se conoce como convección de Boussinesq .

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

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

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