Convezione

La convezione è un processo di trasporto di energia e materia, che avviene mediante l’azione combinata della conduzione, dell’accumulo di energia e del mescolamento. Si tratta del più importante meccanismo di scambio di energia termica tra una superficie solida ed un liquido o un gas (in generale, quindi, un fluido). In generale si può affermare che la convezione avviene in seno al fluido in uno spazio limitato che ha inizio all’interfaccia tra il fluido e l’altro corpo e fine ad una distanza che dipende dal caso in esame, ma che è comunque alquanto ridotta.

Nella convezione le modalità microscopiche di trasmissione dell’energia sono le medesime che nel caso della conduzione. La sostanziale differenza sta nel fatto che, essendo il fluido in moto, al trasporto di energia dovuto alle interazioni molecolari si somma il moto di materia che veicola tale energia nello spazio e nel tempo. Se il fluido restasse fermo il meccanismo di trasmissione del calore al suo interno sarebbe quello di conduzione e l’energia si trasmetterebbe tra le particelle senza moto macroscopico di materia. La trasmissione di energia per convezione da una superficie, la cui temperatura sia superiore a quella del fluido (liquido o gas) circostante, avviene in diversi stadi:

  • dapprima il calore passa per conduzione dalla superficie alle particelle di fluido adiacenti, in modo tale che l’energia così trasmessa faccia aumentare l’energia interna e la temperatura delle particelle;
  • tali particelle vanno poi a muoversi verso una regione del fluido a temperatura minore e si mescolano con esso cedendo parte della propria energia ad altre particele.

Deduciamo dunque che la convezione consta sia di un flusso di energia sia di un flusso di materia: l’energia è cioè effettivamente immagazzinata nelle particelle ed è trasportata dal loro moto.

Questo meccanismo non dipende solo da una differenza di temperatura ed è per questo che, come già osservato, non è strettamente conforme alla definizione di trasmissione del calore. Tuttavia, l’effettiva conseguenza è sempre un trasporto di energia che, avvenendo secondo la direzione del gradiente di temperatura, è comunque classificato come un meccanismo di scambio termico, detto appunto trasmissione del calore per convezione.

È possibile classificare due tipi di processi di trasmissione di calore per convezione, in base alla causa che determina il moto di particelle:

  • si parla di convezione libera (o anche naturale) quando il moto dipende unicamente da differenze di densità dovute a gradienti di temperatura;
  • si parla invece di convezione forzata quando il moto è indotto da un dispositivo o meccanismo esterno (come una pompa o un ventilatore). Sottolineiamo infine che l’efficacia dello scambio termico per convezione dipende, in gran parte, dal moto del fluido a contatto con la superficie.