Convección
La convección es la transferencia de calor por el movimiento de un fluido, cuando el líquido o gas más cálido y menos denso sube y el fluido más frío y denso baja.
Definition
La convección es calor transportado por líquido o gas en movimiento: el fluido cálido se expande, se vuelve menos denso, y sube, mientras que el fluido más frío y denso baja para tomar su lugar, formando una corriente de convección que sigue llevando calor de un lado a otro. La convección no puede ocurrir en sólidos; la convección natural es impulsada por estas diferencias de densidad, mientras que la convección forzada usa un ventilador o una bomba para mover el fluido. La transferencia por convección desde una superficie sigue la ley de enfriamiento de Newton, $\dot{Q} = hA(T_s - T_f)$, donde $h$ es el coeficiente de transferencia de calor por convección que depende de las propiedades del fluido, la rapidez del flujo y la geometría, y la convección natural comienza en cuanto la flotabilidad supera la viscosidad y la difusión térmica, un equilibrio capturado por el número de Rayleigh.
Example
El aire sobre un radiador se calienta, sube hasta el techo, y el aire más frío cerca del piso se desliza para reemplazarlo, calentando toda la habitación; en una olla de agua sobre una estufa, la capa inferior se calienta cerca de $100^\circ\text{C}$ y sube mientras el agua más fría a $60^\circ\text{C}$ baja, produciendo el movimiento agitado visible en el agua hirviendo. Una superficie de radiador de $0.5\ \text{m}^2$ a $60^\circ\text{C}$ en aire de habitación a $20^\circ\text{C}$ tiene $h \approx 10\ \text{W/(m}^2\cdot\text{K)}$ para convección natural, dando $\dot{Q} = 10 \times 0.5 \times 40 = 200\ \text{W}$, pero añadir un ventilador eleva $h$ a unos $50$ y aumenta la salida del mismo radiador a $1{,}000\ \text{W}$.
Key Insight
La convección es la razón por la que la litera de arriba siempre está más caliente que la de abajo y por la que el humo sube de una fogata, y a escala planetaria impulsa las brisas marinas, el clima, las corrientes oceánicas, el movimiento del manto terrestre, y el transporte de energía en las capas externas del Sol. En realidad es conducción con una banda transportadora: el calor sigue entrando al fluido por conducción en la superficie, pero el fluido en movimiento lo lleva lejos mucho más rápido de lo que la conducción sola podría.