La legge di raffreddamento di Newton afferma che la velocità di trasferimento del calore che lascia una superficie a temperatura Ts in un fluido circostante a temperatura Tf è data dall'equazione:
Qconvezione = h A (Ts - Tf)
dove il coefficiente di trasferimento termico h ha le unità di W/m2.K o Btu/s.in2.F. Il coefficiente h non è una proprietà termodinamica. È una correlazione semplificata allo stato fluido e alle condizioni del flusso e pertanto viene spesso definita una proprietà del flusso.
La convezione è correlata al concetto dello strato limite, ossia un sottile strato di transizione tra una superficie che si presume adiacente a molecole fisse e il flusso del fluido nell'ambiente circostante. Tale situazione è illustrato nella figura seguente e si riferisce al flusso su una piastra piatta.
Dove u(x,y) è la velocità della direzione x. L'area fino al bordo esterno del livello di fluido, definita come il 99% della velocità di flusso libero, viene chiamato lo spessore del livello del contorno fluido δ(x).
Tale situazione è simile alla transizione termica dalla temperatura della superficie alla temperatura dell'ambiente circostante. Una schema della variazione di temperatura è illustrato nella figura. Osservare che lo spessore dello strato del limite termico non è necessariamente identico a quello del fluido. Le proprietà fluide che compongono il Numero di Prandtl regolano la magnitudine relativa dei due tipi di livelli del contorno. Un numero Prandtl (Pr) 1 implicherebbe lo stesso comportamento per i due strati limite.
Il reale meccanismo di trasferimento termico attraverso lo strato limite è la conduzione, nella direzione Y, attraverso il fluido stazionario accanto alla parete ed è equivalente alla velocità di convezione dello strato limite al fluido. Questa situazione può essere scritta nel seguente modo:
h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s
Il coefficiente di convezione, per una data situazione, può essere valutato misurando la velocità di trasferimento termico e la differenza di temperatura oppure misurando il gradiente termico adiacente la superficie e la differenza di temperatura.
La misurazione del gradiente termico attraverso uno strato limite richiede alta precisione e solitamente è eseguita in laboratorio. Molti manuali contengono valori tabulati dei coefficienti di trasferimento termico per convezione per le diverse configurazioni.
La seguente tabella mostra alcuni valori tipici del coefficiente di trasferimento termico convettivo:
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Media
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Coefficiente di trasferimento termico h (W/m2.K)
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| Aria (convezione naturale)
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5-25
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| Aria/vapore sovrariscaldato (convezione forzata)
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20-300
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| Olio (convezione forzata)
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60-1800
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| Acqua (convezione forzata)
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300-6000
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| Acqua (al punto di ebollizione)
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3000-60.000
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| Vapore (condensa)
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6000-120.000
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