La convezione naturale è un tipo di trasferimento di calore in cui forze non umane influenzano il raffreddamento e il riscaldamento di fluidi, come gas e liquidi. Il trasferimento di calore crea un ciclo chiamato corrente di convezione in cui un fluido caldo viene sostituito da uno più freddo. Tutti i fluidi e la materia sono fatti di minuscoli blocchi chiamati atomi, che si raggruppano in molecole. Il movimento di queste molecole è ciò che fa salire o scendere i fluidi.
La convezione naturale aiuta a spiegare molti dei sistemi naturali della Terra, come le correnti oceaniche e gli strati atmosferici. È in contrasto con la convezione forzata, che funziona sullo stesso principio ma presenta una fonte di calore creata da dispositivi artificiali, come ventilatori ad aria o ad acqua che accelerano il ciclo di trasferimento del calore. Sia la convezione forzata che quella naturale possono essere utilizzate per scopi specifici, come il riscaldamento di abitazioni o l’approvvigionamento idrico comunale.
Quando agito da una fonte di calore, come il sole o il calore sotterraneo, i fluidi spesso salgono. Ad esempio, quando il sole riscalda la superficie terrestre, l’aria al suolo è quasi sempre più calda dell’aria in alto nel cielo. Il calore espande gli spazi tra le molecole, rendendo l’aria più leggera e sollevandola al di sopra della superficie. Man mano che l’aria si allontana dal terreno caldo, le molecole si raffreddano e si comprimono. Quest’aria più fredda e più pesante viene quindi tirata giù per gravità, dove si riscalda di nuovo e ricomincia il ciclo.
Le correnti oceaniche si creano anche a causa della convezione naturale, combinata con i cambiamenti del vento e la densità dell’acqua salata. I venti freddi che passano sulla superficie dell’acqua causano la compressione delle molecole e l’affondamento verso il fondo dell’oceano. Man mano che l’acqua si avvicina all’equatore, si riscalda e risale. Questo crea massicce correnti oceaniche che scorrono lungo le coste continentali e influenzano il tempo sulle regioni terrestri circostanti.
Tipicamente, un componente importante nella convezione naturale è la legge del raffreddamento di Newton. Questa legge scientifica afferma che la velocità con cui una sostanza perde calore è direttamente correlata alla temperatura dell’oggetto che agisce su di essa. In altre parole, più l’oggetto è freddo, più calore perderà il fluido. Un esempio di questa legge in azione è l’effetto dell’aggiunta di cubetti di ghiaccio a una bevanda: un cubo toglierà solo una piccola porzione di calore, ma una manciata raffredderà la bevanda molto più velocemente.