La convezione è il modo di trasferimento termico tra la faccia di un solido e un fluido mobile adiacente (o un gas). La convezione ha due elementi:
- il trasferimento di energia prodotto dal movimento molecolare (diffusione) e
- il trasferimento di energia prodotto dal movimento macroscopico o in massa del fluido (advezione).
Il meccanismo di convezione può essere spiegato nel seguente modo: via via che lo strato del fluido adiacente la superficie calda si riscalda, la sua densità diminuisce (a pressione costante, la densità è inversamente proporzionale alla temperatura) e diventa galleggiante. Un fluido di raffreddamento (più pesante) vicino alla superficie sostituisce il fluido più caldo e crea in tal modo uno schema di ricircolo.
La velocità di scambio del calore tra un fluido a temperatura Tf e una faccia di un'area solida A a temperatura Ts segue le legge di raffreddamento di Newton che può essere scritta in questo modo:
Qconvezione = h A (Ts - Tf)
dove h è il coefficiente di trasferimento termico di convezione. Le unità di h sono W/m2.K o Btu/s.in2.F. Il coefficiente di trasferimento termico per convezione (h) dipende dal movimento del fluido, dalla geometria e dalle proprietà termodinamiche e fisiche.
In linea di massima, esistono due modi di trasferimento termico per convezione:
Convezione naturale (libera)
Il movimento del fluido adiacente la faccia di un solido è causato dalle forze di galleggiamento indotte da variazioni nella densità del fluido a causa delle differenze nella temperatura tra il solido e il fluido. Quando una piastra riscaldante viene lasciata a raffreddarsi all'aria, le particelle d'aria adiacenti la faccia della piastra si riscaldano, la densità diminuisce e le particelle si spostano verso l'alto.
Convezione forzata
Per accelerare il flusso del fluido sulla faccia del solido si utilizza un mezzo esterno come una ventola o una pompa. Il rapido movimento delle particelle fluide sulla faccia del solido massimizza il gradiente termico e incrementa la velocità dello scambio termico. Nella seguente immagine, l'aria viene forzata sopra un piano caldo.
