Freie Konvektion, auch als natürliche Konvektion bekannt, ist ein Phänomen, das auftritt, wenn sich eine Flüssigkeit oder ein Gas aufgrund von Dichteänderungen im Inneren bewegt, und nicht als Reaktion auf eine externe Bewegungsquelle wie ein Gebläse oder eine Turbine. Natürliche Konvektion ist, wenig überraschend, in der Natur zu sehen, wo sie bei einer Reihe verschiedener natürlicher Prozesse eine Rolle spielt, aber auch in vom Menschen kontrollierten Umgebungen, von der Küche bis zum Chemielabor. Dies unterscheidet sich von der erzwungenen Konvektion, bei der die Bewegung durch die Bewegung eines Geräts wie eines Ventilators erzwungen wird, wie in einem Konvektionsofen zu sehen.
Natürliche Konvektion tritt auf, wenn Flüssigkeiten instabil werden. Ein Bereich wird wärmer als der Rest, verliert an Dichte und beginnt zu steigen, wodurch eine kleine Strömung entsteht. Beim Aufsteigen wird Wärme an die umgebende kühlere Flüssigkeit abgegeben. Strömungen und Wirbel treten auf. In einem einfachen Beispiel für natürliche Konvektion, wenn man heißes, mit Lebensmittelfarbe gefärbtes Wasser in eine klare Glasschüssel mit ungefärbtem kaltem Wasser tropft, kann man die Bewegung des gefärbten Wassers verfolgen, bis sich die Mischung stabilisiert und die Bewegung stoppt.
Das Newtonsche Kühlgesetz spielt bei der freien Konvektion eine entscheidende Rolle. Nach Newton kann die Temperaturänderungsgeschwindigkeit innerhalb einer Flüssigkeit als proportional zur Differenz zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung angesehen werden. Dies beeinflusst die freie Konvektion, da wechselnde Temperaturen eine Instabilität erzeugen, die zu freier Konvektion führt. Wettersysteme werden beispielsweise stark durch die Bewegung von heißer und kalter Luft beeinflusst, die durch Sonneneinstrahlung, Kontakt mit kaltem Wasser usw. beeinflusst wird.
Die Zirkulation der Weltmeere ist eine direkte Folge der freien Konvektion. Wenn sich das Wasser in Richtung der Pole bewegt, kühlt es ab, wird dichter und sinkt nach unten. Währenddessen erwärmt sich das Wasser, das sich in Richtung Äquator bewegt, und wird leichter und steigt an die Oberfläche. Dies erzeugt eine Reihe komplexer Strömungen im ganzen Ozean, die eine kontinuierliche Zirkulation erzeugen und das Wasser im Ozean in ständiger Bewegung halten.
Die Konvektionstheorie erklärt auch andere natürliche Prozesse, wie die Bewegung von Flüssigkeiten unter der Erdkruste. Die Verlagerung von Flüssigkeiten unter unseren Füßen spielt bei einer Reihe natürlicher Prozesse eine Rolle, wobei sich diese Flüssigkeiten aufgrund von Temperaturänderungen im Inneren der Erde ständig bewegen. Konvektionsströmungen können sich auch überschneiden, wie die Interaktion zwischen dem Ozean und den Wettersystemen über und in der Nähe des Ozeans zeigt, die durch Temperaturänderungen durch die Bewegung von Meeresströmungen beeinflusst werden.