Corrientes de convección: circulación atmosférica
Uno de los fenómenos más importantes para el clima de la Tierra es la circulación atmosférica , que es el movimiento a gran escala del aire, y es un medio por el cual la energía térmica (junto con la circulación oceánica) se distribuye en la superficie de la Tierra. . La circulación atmosférica de la Tierra varía de año en año, pero la estructura a gran escala de su circulación permanece bastante constante.
La circulación atmosférica es una consecuencia de la iluminación de la Tierra por el Sol, y las leyes de la termodinámica . La circulación atmosférica puede verse como un motor térmico impulsado por la energía del Sol, y cuya energía se hunde, en última instancia, es la oscuridad del espacio. Desde este punto de vista, también las turbinas eólicas funcionan con el sol.
Creación de corrientes de convección.
La creación de corrientes de convección se basa en tres supuestos físicos:
- Presencia de fuente de calor . Se requiere una fuente de calor, porque las corrientes de convección se generan por las diferencias de densidad en el fluido que se producen debido a los gradientes de temperatura. En la convección natural, el fluido que rodea una fuente de calor recibe calor y, por expansión térmica, se vuelve menos denso y se eleva. La expansión térmica del fluido juega un papel crucial. En otras palabras, los componentes más pesados (más densos) caerán, mientras que los componentes más livianos (menos densos) se elevarán, lo que provocará un movimiento de fluido a granel.
- Presencia de aceleración adecuada. La convección natural solo puede ocurrir en un campo gravitacional o en presencia de otra aceleración adecuada, como la aceleración, la fuerza centrífuga y la fuerza de Coriolis. La convección natural esencialmente no opera en la órbita de la Tierra. Por ejemplo, en la Estación Espacial Internacional en órbita, se requieren otros mecanismos de transferencia de calor para evitar el sobrecalentamiento de los componentes electrónicos.
- Geometría adecuada . La presencia y la magnitud de la convección natural también dependen de la geometría del problema. La presencia de un gradiente de densidad de fluido en un campo gravitacional no asegura la existencia de corrientes de convección naturales. Este problema se ilustra en la siguiente figura, donde un fluido está encerrado por dos grandes placas horizontales de diferente temperatura (T superior ≠ T inferior ).
- En el caso A, la temperatura de la placa inferior es más alta que la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad disminuye en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría induce la circulación del fluido y la transferencia de calor se produce a través de la circulación natural . El fluido más pesado descenderá, calentándose en el proceso, mientras que el fluido más ligero se elevará, enfriándose a medida que se mueve.
- En el caso B, la temperatura de la placa inferior es inferior a la temperatura de la placa superior. En este caso, la densidad aumenta en la dirección de la fuerza gravitacional. Esta geometría conduce a condiciones estables, gradiente de temperatura estable y no induce la circulación del fluido. La transferencia de calor se produce únicamente por conducción térmica.
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