Il raffreddamento per convezione è qualsiasi trasferimento di calore che si verifica da un movimento di fluido. Sia i liquidi che i gas possono presentare un raffreddamento per convezione e l’effetto può essere naturale o forzato. Il raffreddamento naturale si verifica dal trasferimento di calore dovuto alle variazioni di densità del fluido, come l’aria calda che sale e l’aria più fredda che affonda. La convezione forzata si verifica quando viene aggiunta una forza esterna per spostare il fluido, come un ventilatore che muove l’aria o un cucchiaio che mescola un liquido.
Il trasferimento di calore avviene principalmente per conduzione e convezione. La conduzione è un trasferimento di calore attraverso qualsiasi materiale, senza movimento del materiale. Un esempio di conduzione è una padella di metallo riscaldata da una fiamma su un fornello a gas. La fiamma del gas riscalda la parte inferiore della padella e la conduzione trasferirà il calore al resto della padella. Quando il fuoco è spento, la convezione raffredderà la padella mentre il calore si trasferisce e sale all’aria intorno alla padella.
Il raffreddamento naturale per convezione si verifica nell’atmosfera terrestre e negli oceani. L’aria viene riscaldata dal riscaldamento del terreno e sale. Quando l’aria sale, si raffredda e ritorna in superficie, creando una circolazione globale dell’aria e modelli meteorologici. Le correnti oceaniche trasportano acqua calda verso oceani più freddi e pozzi d’acqua più freddi e si spostano verso le regioni più calde. La luce solare aggiunge energia riscaldando l’aria o l’acqua e la rotazione della Terra impartisce energia, ma il movimento è considerato naturale piuttosto che forzato.
Il raffreddamento per convezione si verifica anche all’interno della Terra. Il nucleo fuso, riscaldato dal decadimento di elementi radioattivi, sale verso la crosta esterna del nostro pianeta. La convezione raffredda il materiale del nucleo fuso e ritorna lentamente al centro. Questo movimento fa sì che i nostri continenti si muovano lentamente sopra il nucleo fuso, un fenomeno chiamato movimento delle placche tettoniche.
Il raffreddamento forzato è comune nelle case e nelle aziende. I sistemi di condizionamento e riscaldamento utilizzavano la convezione forzata dell’aria per spostare il calore all’interno o all’esterno di un edificio. I ventilatori all’interno delle apparecchiature elettroniche utilizzavano il raffreddamento a convezione forzata per spostare l’aria sui componenti elettronici. I sistemi di refrigerazione utilizzano ventilatori sia per sottrarre calore alle batterie di condensazione, ma anche per raffreddare il compressore e spostare l’aria all’interno del vano refrigerato.
Le ventole di raffreddamento hanno dimostrato effetti di convezione per secoli. Con l’invenzione dell’elettricità, i motori elettrici potrebbero essere utilizzati per azionare ventilatori da tavolo e da soffitto. Fin dalla fine del XX secolo sono disponibili sofisticati ventilatori da soffitto dotati di termostati per il controllo automatico delle loro funzioni. Tutti si basano sullo stesso principio di raffreddare il corpo umano spostando l’aria attraverso la pelle.
La convezione può essere combinata con l’evaporazione per migliorare le prestazioni di raffreddamento. I sistemi di raffreddamento evaporativo, che utilizzano aria forzata fatta passare attraverso un tampone di evaporazione umido per raffreddare gli spazi interni, sono popolari in aree con umidità molto bassa. Questi sistemi raffreddano lo spazio interno rimuovendo il calore dall’aria in ingresso attraverso l’evaporazione. Il flusso d’aria risultante è più freddo, ma contiene più umidità. I sistemi evaporativi non funzionano bene in aree con umidità relativa più elevata, perché non si verificherà il raffreddamento e l’interno potrebbe diventare piuttosto umido.