La convección libre, también conocida como convección natural, es un fenómeno que ocurre cuando un fluido o gas se mueve como resultado de cambios de densidad que ocurren en su interior, más que en respuesta a una fuente externa de movimiento como un ventilador o una turbina. La convección natural se puede ver, como era de esperar, en la naturaleza, donde desempeña un papel en varios procesos naturales diferentes, y también se puede ver en entornos controlados por humanos, que van desde la cocina hasta el laboratorio de química. Esto difiere de la convección forzada, en la que el movimiento es forzado por el movimiento de un dispositivo como un ventilador, como se ve en un horno de convección.
La convección natural ocurre cuando los fluidos se vuelven inestables. Un área se vuelve más cálida que el resto, pierde densidad y comienza a elevarse, creando una pequeña corriente. A medida que aumenta, el calor se transfiere al fluido más frío circundante. Aparecen corrientes y remolinos. En un ejemplo simple de convección natural, si se vierte agua caliente teñida con colorante para alimentos en un recipiente de vidrio transparente con agua fría sin teñir, será posible rastrear el movimiento del agua teñida hasta que la mezcla se estabilice y el movimiento se detenga.
La ley de enfriamiento de Newton juega un papel fundamental en la convección libre. Según Newton, la tasa de cambio de temperatura dentro de un fluido puede verse como proporcional a la diferencia entre el fluido y el entorno. Esto influye en la convección libre, porque los cambios de temperatura crean inestabilidad, lo que conduce a la convección libre. Por ejemplo, los sistemas meteorológicos están fuertemente influenciados por el movimiento del aire frío y caliente que están influenciados por la radiación solar, el contacto con el agua fría, etc.
La circulación de los océanos del mundo es una consecuencia directa de la convección libre. A medida que el agua se mueve hacia los polos, se enfría y se vuelve más densa, hundiéndose hacia el fondo. Mientras tanto, el agua que se mueve hacia el ecuador se calienta y se vuelve más liviana, subiendo a la superficie. Esto crea una serie de corrientes complejas a lo largo del océano que generan una circulación continua, manteniendo el agua del océano en constante movimiento.
La teoría de la convección también explica otros procesos naturales, como el movimiento de fluidos debajo de la corteza terrestre. El desplazamiento de líquidos debajo de nuestros pies juega un papel en una serie de procesos naturales, con estos fluidos en constante movimiento como resultado de los cambios de temperatura dentro de la Tierra. Las corrientes de convección también pueden cruzarse entre sí, como se ve en la interacción entre el océano y los sistemas climáticos sobre y cerca del océano, que están influenciados por los cambios de temperatura causados por el movimiento de las corrientes oceánicas.