La convezione libera, nota anche come convezione naturale, è un fenomeno che si verifica quando un fluido o un gas si muove a seguito di variazioni di densità che si verificano al suo interno, piuttosto che in risposta a una fonte di movimento esterna come un ventilatore o una turbina. La convezione naturale può essere vista, non sorprende, in natura, dove svolge un ruolo in una serie di diversi processi naturali, e può anche essere vista in ambienti controllati dall’uomo, che vanno dalla cucina al laboratorio di chimica. Questo differisce dalla convezione forzata, in cui il movimento è forzato dal movimento di un dispositivo come un ventilatore, come si vede in un forno a convezione.
La convezione naturale si verifica quando i fluidi diventano instabili. Un’area diventa più calda delle altre, perde densità e inizia a salire, creando una piccola corrente. Man mano che sale, il calore viene trasferito al fluido di raffreddamento circostante. Appaiono correnti e vortici. In un semplice esempio di convezione naturale, se si fa cadere acqua calda tinta con colorante alimentare in una ciotola di vetro trasparente con acqua fredda non tinta, sarà possibile seguire il movimento dell’acqua tinta finché l’impasto non si stabilizza e il movimento si ferma.
La legge del raffreddamento di Newton gioca un ruolo fondamentale nella convezione libera. Secondo Newton, la velocità di variazione della temperatura all’interno di un fluido può essere vista come proporzionale alla differenza tra il fluido e l’ambiente circostante. Ciò influenza la libera convezione, poiché le variazioni di temperatura creano instabilità, che porta alla libera convezione. Ad esempio, i sistemi meteorologici sono fortemente influenzati dal movimento dell’aria calda e fredda che sono influenzati dalla radiazione solare, dal contatto con l’acqua fredda e così via.
La circolazione degli oceani del mondo è una diretta conseguenza della libera convezione. Man mano che l’acqua si sposta verso i poli, si raffredda e diventa più densa, affondando verso il basso. Nel frattempo, l’acqua che si muove verso l’equatore si riscalda e diventa più chiara, risalendo in superficie. Questo crea una serie di correnti complesse in tutto l’oceano che generano una circolazione continua, mantenendo l’acqua nell’oceano in costante movimento.
La teoria della convezione spiega anche altri processi naturali, come il movimento dei fluidi sotto la crosta terrestre. Lo spostamento dei liquidi sotto i nostri piedi svolge un ruolo in una serie di processi naturali, con questi fluidi in costante movimento a causa dei cambiamenti di temperatura all’interno della Terra. Le correnti di convezione possono anche intersecarsi tra loro, come si vede nell’interazione tra l’oceano e i sistemi meteorologici sopra e vicino all’oceano che sono influenzati dalle variazioni di temperatura causate dal movimento delle correnti oceaniche.