Celda de convección - Convection cell

Nube de altocúmulos vista desde el transbordador espacial. Las nubes altocúmulos se forman por actividad convectiva.
Balde de 6 galones de vino con miel después de fermentar 10 días con canela flotando en la parte superior. La convección es causada por la levadura que libera CO2.

En el campo de la dinámica de fluidos , una celda de convección es el fenómeno que ocurre cuando existen diferencias de densidad dentro de un cuerpo de líquido o gas . Estas diferencias de densidad dan como resultado corrientes ascendentes y / o descendentes, que son las características clave de una celda de convección. Cuando se calienta un volumen de líquido, se expande y se vuelve menos denso y, por lo tanto, más flotante que el líquido circundante. La parte más fría y densa del líquido desciende para asentarse debajo del líquido más cálido y menos denso, y esto hace que el líquido más caliente suba. Dicho movimiento se denomina convección y el cuerpo en movimiento de líquido se denomina celda de convección . Este tipo particular de convección, donde una capa horizontal de fluido se calienta desde abajo, se conoce como convección de Rayleigh-Bénard . La convección generalmente requiere un campo gravitacional, pero en experimentos de microgravedad, se ha observado convección térmica sin efectos gravitacionales.

Los fluidos se generalizan como materiales que exhiben la propiedad de fluir ; sin embargo, este comportamiento no es exclusivo de los líquidos. Las propiedades de los fluidos también se pueden observar en gases e incluso en partículas sólidas (como arena, grava y objetos más grandes durante los deslizamientos de rocas ).

Una celda de convección es más notable en la formación de nubes con su liberación y transporte de energía. A medida que el aire se mueve por el suelo, absorbe calor, pierde densidad y asciende a la atmósfera. Cuando es forzado a la atmósfera, que tiene una presión de aire más baja, no puede contener tanto líquido como a una altitud más baja, por lo que libera su aire húmedo, produciendo lluvia. En este proceso se enfría el aire caliente; gana densidad y cae hacia la tierra y la célula repite el ciclo.

Las células de convección se pueden formar en cualquier fluido, incluida la atmósfera de la Tierra (donde se llaman células de Hadley ), agua hirviendo, sopa (donde las células pueden identificarse por las partículas que transportan, como granos de arroz), el océano o el superficie del sol . El tamaño de las celdas de convección está determinado en gran medida por las propiedades del fluido. Las celdas de convección pueden ocurrir incluso cuando el calentamiento de un fluido es uniforme.

Proceso

Un cuerpo de fluido ascendente normalmente pierde calor cuando encuentra una superficie fría cuando intercambia calor con un líquido más frío a través del intercambio directo, o en el ejemplo de la atmósfera de la Tierra , cuando irradia calor. En algún momento, el fluido se vuelve más denso que el fluido debajo de él, que todavía está subiendo. Dado que no puede descender a través del fluido ascendente, se mueve hacia un lado. A cierta distancia, su fuerza descendente vence a la fuerza ascendente debajo de él y el fluido comienza a descender. A medida que desciende, se calienta de nuevo por contacto superficial o conductividad y el ciclo se repite.

Dentro de la troposfera de la Tierra

Tormentas

Etapas de la vida de una tormenta.

El aire caliente tiene una densidad más baja que el aire frío, por lo que el aire caliente se eleva dentro del aire más frío, similar a los globos de aire caliente . Las nubes se forman cuando el aire relativamente más cálido que transporta humedad se eleva dentro del aire más frío. A medida que sube el aire húmedo, se enfría, lo que hace que parte del vapor de agua del paquete de aire ascendente se condense . Cuando la humedad se condensa, libera energía conocida como calor latente de vaporización, que permite que el paquete de aire ascendente se enfríe menos que el aire circundante, continuando la ascensión de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará el tiempo suficiente para que se formen nubes cumulonimbus , que soportan rayos y truenos. Generalmente, las tormentas eléctricas requieren tres condiciones para formarse: humedad, una masa de aire inestable y una fuerza de elevación (calor).

Todas las tormentas, independientemente del tipo, pasan por tres etapas: una "etapa de desarrollo", una "etapa madura" y una "etapa de disipación". La tormenta eléctrica promedio tiene un diámetro de 24 km (15 millas). Dependiendo de las condiciones presentes en la atmósfera, estas tres etapas tardan un promedio de 30 minutos en recorrer.

Procesos adiabáticos

El calentamiento causado por la compresión del aire descendente es responsable de fenómenos invernales como el chinook (como se lo conoce en el oeste de América del Norte) o el Föhn (en los Alpes).

Película de la fotosfera solar observada con el telescopio solar sueco de 1 m (SST) en La Palma, España. La película muestra granulación solar que es el resultado de movimientos convectivos de burbujas de gas caliente que se elevan desde el interior solar. Cuando estas burbujas alcanzan la superficie, el gas se enfría y fluye hacia abajo nuevamente en los carriles más oscuros entre las células brillantes. En estos llamados carriles intergranulares, también podemos ver pequeños puntos brillantes y estructuras alargadas brillantes más extendidas. Estas son regiones con fuertes campos magnéticos.

Dentro del sol

La fotosfera del Sol está compuesta de células de convección llamadas gránulos , que son columnas ascendentes de plasma sobrecalentado (5.800 ° C) con un promedio de aproximadamente 1.000 kilómetros de diámetro. El plasma se enfría a medida que asciende y desciende en los estrechos espacios entre los gránulos.

Referencias

enlaces externos