Differenza tra convezione e conduzione

Differenza principale - Convezione vs. conduzione

Convezione e conduzione sono entrambi meccanismi di trasferimento del calore. Il differenza principale tra la convezione e la conduzione è quello, in convezione, il calore viene trasferito attraverso un flusso di massa di materiale mentre, in conduzione, il calore viene trasferito attraverso collisioni di particelle quello compone il materiale.

Cos'è la conduzione

Le particelle che costituiscono la materia sono sempre in movimento. Quando la temperatura aumenta, le particelle hanno maggiori energie cinetiche e di conseguenza vibrano con ampiezze maggiori. Durante conduzione, una particella vibrante colpisce una particella vicina, impartendo energia a quella particella. Questa particella vibra ora con un'ampiezza maggiore e può scontrarsi con un altro atomo vicino, dandogli energia. Questo processo di trasferimento di energia può continuare da un'estremità di un oggetto all'altro capo. Poiché un aumento dell'energia cinetica delle particelle si manifesta fisicamente come un aumento della temperatura, l'aumento graduale delle energie cinetiche delle particelle lungo l'oggetto è accompagnato da un graduale aumento della temperatura lungo l'oggetto. Questo processo, in cui viene trasferito il calore come risultato di collisione di particelle, viene chiamato conduzione.

La capacità di un materiale di trasferire calore per conduzione è caratterizzata dalla sua conduttività. Il tasso di trasferimento di calore,  o la corrente di calore, tra due oggetti con una differenza di temperatura di  è dato da

dove   e sono rispettivamente l'area della sezione trasversale e la lunghezza del conduttore che trasferisce il calore. La lettera  è il conduttività termica, misurato in unità di W m^-1 K^-1.

Come visto dall'equazione, la velocità del trasferimento di calore è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura e all'area della sezione trasversale del conduttore, e inversamente proporzionale alla lunghezza del conduttore. Il valore della conducibilità termica dipende dalle proprietà microscopiche del materiale. I metalli sono buoni conduttori termici perché contengono un gran numero di elettroni liberi che possono scontrarsi liberamente per trasferire energia. Nel frattempo, gli ioni che formano il reticolo vibrano su posizioni fisse anche Scontrarsi e trasferire calore. Tuttavia, gli elettroni liberi sono responsabili della maggior parte del trasferimento di calore nei metalli.

Cos'è la convezione

La convezione è il meccanismo di trasferimento del calore nei materiali attraverso un flusso di massa del materiale. Qui, per trasferire il calore, si muovono parti del materiale stesso - cioè c'è un trasferimento di massa all'interno del materiale. In genere, la convezione si verifica nei fluidi. Tuttavia, gli effetti della convezione possono essere visti a volte nei solidi, come nel caso della tettonica a placche. Lo schema seguente mostra i modelli vorticosi di convezione formati dal vapore che sale da una tazza di caffè:

Correnti di convezione che iniziano a formarsi nel vapore che sale da una tazza di liquido caldo

La convezione è un processo complesso e non esiste una semplice equazione che la descriva completamente. Tuttavia, possiamo fare uso di un'approssimazione per i casi in cui un fluido viene riscaldato usando una superficie solida. Per questi casi, la velocità di trasferimento del calore  è dato da,

dove  è l'area della superficie in cui viene trasferito il calore,  è la temperatura del solido,  è la temperatura dell'aria.  è conosciuto come il coefficiente di trasferimento termico convettivo. Questo coefficiente dipende da un numero di proprietà tra cui la densità, la viscosità e la portata del fluido. L'unità per il coefficiente di trasferimento termico convettivo è W m^-2 K^-1.

Si noti che i fluidi che trasferiscono calore tramite convezione trasferiscono anche il calore tramite conduzione. Se la conduzione è molto efficace, può impedire la formazione di correnti convettive e impedire il trasferimento di calore convettivo. Se il meccanismo dominante di trasferimento di calore è la conduzione o la convezione di un fluido, può essere trovato calcolando un numero noto come Numero Rayleigh.

Lo schema seguente illustra i casi in cui ciascuno dei tre tipi di meccanismo di trasferimento del calore è dominante.

Differenza tra i tre principali meccanismi di trasferimento del calore illustrati: la differenza tra convezione e radiazione è stata trattata in un altro articolo.

Differenza tra convezione e conduzione

Meccanismo

Conduzione trasferisce il calore attraverso il trasferimento di energia cinetica durante le collisioni tra particelle vibranti.

Convezione trasferisce il calore spostando le particelle che costituiscono il materiale.

Materiale

Conduzione è in genere il meccanismo dominante del trasferimento di calore nei solidi.

Convezione è in genere il meccanismo dominante del trasferimento di calore nei fluidi.

Cortesia dell'immagine

"Convezione" di Rebecca Siegel (Opera personale) [CC BY 2.0], via flickr

"ไทย: http://www.roasterproject.com/2010/01/heat-transfer-the-basics/" di Kmecfiunit (Opera propria) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons