concepto
convección es el nombre de un medio de transferencia de calor, a diferencia de la conducción y la radiación. También es un término que describe los procesos que afectan la atmósfera, las aguas y la tierra sólida. En la atmósfera, el aire caliente se eleva sobre las corrientes de convección, circulando y creando nubes y vientos. Asimismo, la convección en la hidrosfera hace circular el agua, manteniendo estables los gradientes de temperatura de los océanos., El término convección generalmente se refiere al movimiento de fluidos, lo que significa líquidos y gases, pero en las ciencias de la tierra, la convección también se puede usar para describir los procesos que ocurren en la tierra sólida. Esta convección geológica, como se le conoce, impulsa el movimiento de las placas que es uno de los aspectos clave de la tectónica de placas.
cómo funciona
Introducción a la convección
algunos conceptos y fenómenos cruzan las fronteras disciplinarias dentro de las ciencias de la tierra, un ejemplo es el proceso físico de convección., Es de igual relevancia para los científicos que trabajan en las ciencias geológicas, atmosféricas e hidrológicas, o en los ámbitos de estudio relacionados con la geosfera, la atmósfera y la hidrosfera, respectivamente. El único componente principal del sistema terrestre no afectado directamente por la convección es la Biosfera, pero dado el alto grado de interconexión entre diferentes subsistemas, la convección afecta indirectamente a la Biosfera en el aire, las aguas y la tierra sólida.,
la convección se puede definir como la circulación vertical que resulta de las diferencias en la densidad en última instancia provocada por las diferencias en la temperatura, y que implica la transferencia de calor a través del movimiento de fluido caliente de un lugar a otro. En las Ciencias Físicas, el término fluido se refiere a cualquier sustancia que fluye y, por lo tanto, no tiene una forma definida. Esto generalmente significa líquidos y gases, pero en las ciencias de la tierra puede referirse incluso a sólidos de flujo lento., Durante las grandes extensiones de tiempo estudiadas por los científicos de la tierra, el flujo neto de sólidos en ciertas circunstancias (por ejemplo, hielo en glaciares) puede ser sustancial.
convección y calor
como se indica en el párrafo anterior, la convección está estrechamente relacionada con el calor y la temperatura e indirectamente relacionada con otro fenómeno, la energía térmica. Lo que la gente normalmente llama calor es en realidad energía térmica, o energía cinética (la energía asociada con el movimiento) producida por moléculas en movimiento en relación entre sí.,
el calor, en su significado científico, es energía térmica interna que fluye de un cuerpo de materia a otro o de un sistema a una temperatura más alta a un sistema a una temperatura más baja. Por lo tanto, la temperatura se puede definir como una medida de la energía cinética molecular promedio de un sistema. La temperatura también rige la dirección del flujo de energía interna entre dos sistemas. Dos sistemas a la misma temperatura se dice que están en un estado de equilibrio térmico; cuando esto ocurre, no hay intercambio de calor, y por lo tanto el calor existe solo en la transferencia entre dos sistemas.,
no hay tal cosa como el frío, solo la ausencia de calor. Si el calor solo existe en tránsito entre sistemas, se deduce que la dirección del flujo de calor siempre debe ser de un sistema a una temperatura más alta a un sistema a una temperatura más baja.(Este hecho está plasmado en la segunda ley de la termodinámica, que se discute, junto con otros temas mencionados aquí, en la energía y la Tierra.) La transferencia de calor ocurre a través de tres medios: conducción, convección y radiación.
conducción y radiación.,
la conducción implica colisiones moleculares sucesivas y la transferencia de calor entre dos cuerpos en contacto. Por lo general ocurre en un sólido. La convección requiere el movimiento del fluido de un lugar a otro, y, como hemos señalado, puede tener lugar en un líquido, un gas, o un sólido cercano que se comporta como un fluido que fluye lentamente. Finalmente, la radiación involucra ondas electromagnéticas y no requiere ningún medio físico, como agua o aire, para la transferencia.
si pones un extremo de una varilla de metal en un fuego y luego tocas el extremo «fresco» unos minutos más tarde, encontrarás que ya no es fresco., Este es un ejemplo de calentamiento por conducción, por el cual la energía cinética se pasa de molécula a molécula de la misma manera que un secreto se pasa de una persona a otra a lo largo de una línea de personas de pie hombro a hombro. Al igual que el fraseo original del secreto se vuelve confuso, cierta energía cinética se pierde inevitablemente en la serie de transferencias, por lo que el extremo de la varilla fuera del fuego sigue siendo mucho más frío que el que está sentado en las llamas.
en cuanto a la radiación, se distingue de la conducción y la convección en virtud del hecho de que no requiere ningún medio para su transferencia., Esto explica por qué el espacio es frío y los rayos del sol calientan la Tierra: los rayos son una forma de energía electromagnética, y viajan por medio de la radiación a través del espacio. El espacio, por supuesto, es la ausencia virtual de un medio, pero al entrar en la atmósfera de la Tierra, el calor de los rayos electromagnéticos se transfiere a varios medios en la atmósfera, la hidrosfera, la geosfera y la Biosfera. Ese calor luego se transfiere por convección y conducción.
transferencia de calor por convección.
Al igual que la conducción y a diferencia de la radiación, la convección requiere un medio., Sin embargo, en la conducción, el calor se transfiere de una molécula a otra, mientras que en la convección, el fluido calentado en sí mismo se está moviendo. Al hacerlo, elimina o desplaza el aire frío a su paso. El flujo de fluido calentado en esta situación se denomina corriente de convección.
la convección es de dos tipos: natural y forzada. El aumento de aire caliente es un ejemplo de convección natural. El aire caliente tiene una densidad más baja que la del aire más frío en la atmósfera por encima de él y por lo tanto es boyante; a medida que se eleva, sin embargo, pierde energía y se enfría., Este Aire enfriado, ahora más denso que el aire que lo rodea, se hunde de nuevo, creando un ciclo repetitivo que genera viento.
la convección forzada ocurre cuando una bomba u otro mecanismo mueve el fluido calentado. Algunos ejemplos de aparatos de convección forzada incluyen algunos tipos de hornos e incluso refrigeradores o acondicionadores de aire. Como se señaló anteriormente, es posible transferir calor solo de un depósito de alta temperatura a uno de baja temperatura, y por lo tanto estas máquinas de enfriamiento funcionan eliminando el aire caliente., El refrigerador extrae el calor de su compartimiento y lo expulsa a la habitación circundante, mientras que un aire acondicionado extrae el calor de una habitación o edificio y lo libera al exterior.
la convección forzada no implica necesariamente máquinas hechas por el hombre: el corazón humano es una bomba, y la sangre lleva el exceso de calor generado por el cuerpo a la piel. El calor pasa a través de la piel por medio de la conducción, y en la superficie de la piel se elimina del cuerpo de varias maneras, principalmente por la evaporación de enfriamiento de la transpiración.,
aplicaciones de la vida real
células convectivas
Un mecanismo importante de convección, ya sea en el aire, el agua o incluso la tierra sólida, es la célula convectiva, a veces conocida como la célula de convección. Este último se puede definir como el patrón circular creado por el aumento del fluido calentado y el hundimiento del fluido enfriado. Las células convectivas pueden tener solo unos pocos milímetros de diámetro, o pueden ser más grandes que la propia tierra.
estas células se pueden observar en una serie de escalas. Dentro de un tazón de sopa, el líquido calentado se eleva y el líquido enfriado cae., Estos procesos suelen ser difíciles de ver a menos que el plato en cuestión pasa a ser uno como la sopa de miso Japonés. En este caso, se pueden observar trozos de pasta de soja, o miso, a medida que se elevan cuando se calientan y luego caen hacia el interior para volver a calentarse.
en una escala mucho mayor, las células convectivas están presentes en el sol. Estas vastas células aparecen en la superficie del sol como un patrón granulado formado por las variaciones de temperatura entre las partes de la célula., Los puntos brillantes son la parte superior de las corrientes de convección en ascenso, mientras que las áreas oscuras son gas enfriado en su camino hacia el interior solar, donde se calentará y se elevará de nuevo.
una nube cumulonimbus, o» thunderhead», es un ejemplo particularmente dramático de una célula de convección. Estas son algunas de las formaciones de nubes más llamativas que uno haya visto, y por esta razón el director Akira Kurosawa usó escenas de cabezas de trueno rodantes para agregar una calidad atmosférica (literalmente) a su épica Ran de 1985., En el transcurso de solo unos minutos, estas torres verticales de nubes se forman a medida que el aire caliente y húmedo se eleva, luego se enfría y cae. El resultado es una nube que parece encarnar tanto el poder como la inquietud, de ahí el uso de Kurosawa de nubes cumulonimbus en una escena que tiene lugar en la víspera de una batalla.
una brisa marina.
las células convectivas, junto con las corrientes de convección, ayudan a explicar por qué suele haber una brisa en la playa. En la costa, por supuesto, hay una superficie terrestre y una superficie acuática, ambas expuestas a la luz del Sol., Bajo tal exposición, la temperatura de la Tierra aumenta más rápidamente que la del agua. La razón es que el agua tiene una capacidad de calor específico extraordinariamente alta, es decir, la cantidad de calor que se debe agregar o eliminar de una unidad de masa para que una sustancia determinada cambie su temperatura en 33.8°F (1°C). Por lo tanto, un lago, arroyo u océano siempre es un buen lugar para refrescarse en un día caluroso de verano.
la tierra, entonces, tiende a calentarse más rápidamente, al igual que el aire sobre ella., Este aire caliente se eleva en una corriente de convección, pero a medida que se eleva y supera así la atracción de la gravedad, gasta energía y, por lo tanto, comienza a enfriarse. El aire enfriado se hunde. Y así va, con el aire caliente subiendo y el aire de enfriamiento hundiéndose, formando una célula convectiva que continuamente circula aire, creando una brisa.
células convectivas bajo nuestros pies.,
las células convectivas también pueden existir en la tierra sólida, donde hacen que las placas (segmentos móviles) de la litosfera—la capa superior del interior de la Tierra, incluyendo la corteza y la parte frágil en la parte superior del manto—se desplacen. Por lo tanto, desempeñan un papel en la tectónica de placas, una de las áreas de estudio más importantes en las ciencias de la tierra. La tectónica de placas explica una variedad de fenómenos, que van desde la deriva continental hasta terremotos y volcanes. (Ver tectónica de placas para mucho más sobre este tema.,)
mientras que la energía electromagnética del sol es la fuente de calor detrás de la convección atmosférica, la energía que impulsa la convección geológica es geotérmica, que se eleva desde el núcleo de la Tierra como resultado de la desintegración radiactiva. (Ver energía y tierra.) Las células convectivas se forman en la astenosfera, una región de presión extremadamente alta a una profundidad de aproximadamente 60-215 mi. (unos 100-350 km), donde las rocas se deforman por enormes tensiones.,
en la astenosfera, el material calentado se eleva en una corriente de convección hasta que golpea el fondo de la litosfera (la capa superior del interior de la tierra, que comprende la corteza y la parte superior del manto), más allá de la cual no puede elevarse. Por lo tanto, comienza a moverse lateralmente u horizontalmente, y al hacerlo, arrastra parte de la litosfera. Al mismo tiempo, este material calentado aleja el material más frío y denso en su camino. El material más frío se hunde más abajo en el manto (la capa gruesa y densa de roca, aproximadamente 1,429 mi., espeso, entre la corteza terrestre y el núcleo) hasta que se calienta de nuevo y finalmente se eleva, propagando así el ciclo.
hundimiento: buen tiempo y mal tiempo
Al igual que con las células convectivas, el hundimiento puede ocurrir en la atmósfera o la geosfera. El término hundimiento puede referirse al proceso de hundimiento, por parte del aire o de la tierra sólida, o, en el caso de la tierra sólida, a la formación resultante. Por lo tanto, se define de diversas maneras como el movimiento descendente del aire, el hundimiento de la tierra o una depresión en la tierra., En el presente contexto discutiremos el hundimiento atmosférico, que está más estrechamente relacionado con la convección. (Para obtener más información acerca de geologicsubsidence, vea las entradas Geomorphology y Mass Wasting.)
en la atmósfera, el hundimiento resulta de una perturbación en el flujo ascendente normal de las corrientes de convección. Estas corrientes pueden actuar para establecer una célula convectiva, como hemos visto, resultando en el flujo de la brisa. El vapor de agua en el aire puede condensarse a medida que se enfría, cambiando de estado a líquido y formando nubes., La convección puede crear un área de baja presión, acompañada de vientos convergentes, cerca de la superficie de la Tierra, un fenómeno conocido como ciclón. Por otro lado, si se produce un hundimiento, resulta en la creación de un área de alta presión conocida como anticiclón.
Las parcelas de aire continúan elevándose en corrientes convectivas hasta que la densidad de su porción superior es igual a la de la atmósfera circundante, momento en el que la columna de aire se estabiliza., Por otro lado, el hundimiento puede ocurrir si el aire a una altitud de varios miles de pies se vuelve más denso que el aire circundante sin ser necesariamente más frío o húmedo. De hecho, este aire es inusualmente seco, y puede ser cálido o frío. Su densidad entonces hace que se hunda, y, como lo hace, comprime el aire a su alrededor. El resultado es una alta presión en la superficie y vientos divergentes justo por encima de la superficie.
la forma de hundimiento atmosférico descrita aquí produce resultados agradables, explicando por qué los sistemas de alta presión generalmente están asociados con el buen tiempo., Por otro lado, si el aire que disminuye se asienta sobre una capa de aire más fría, crea lo que se conoce como inversión de hundimiento, y los resultados son mucho menos beneficiosos. En esta situación, una capa de aire caliente queda atrapada entre las capas más frías por encima y por debajo de ella, a una altura de varios cientos o incluso varios miles de pies. Esto significa que la contaminación del aire también queda atrapada, creando un peligro potencial para la salud. Las inversiones de hundimiento ocurren con mayor frecuencia en el extremo norte durante el invierno y en el este de los Estados Unidos durante el verano.,
cuando un No fluido actúa como un fluido
hasta este punto hemos hablado principalmente de convección en la atmósfera y la geosfera, pero es de importancia también en los océanos. El ejemplo de sopa de miso dado anteriormente ilustra el movimiento de fluido, y por lo tanto de partículas, que puede ocurrir cuando una célula convectiva se establece en un líquido.
asimismo, en el océano la convección-impulsada tanto por el calor de la superficie como, en mayor medida, por la energía geotérmica en el fondo—mantiene las aguas en constante circulación., La convección oceánica resulta en la transferencia de calor a través de las profundidades y mantiene el océano estable estratificado. En otras palabras, los estratos, o capas, correspondientes a varios niveles de temperatura se mantienen estables y no fluctúan salvajemente.
Las Aguas Oceánicas se ajustan a la definición más común y cotidiana de fluido, pero como se señaló al comienzo de este ensayo, un fluido puede ser cualquier cosa que fluye, incluido un gas o, en circunstancias especiales, un sólido. Las rocas sólidas o el hielo sólido, en forma de glaciares, se pueden hacer fluir si los materiales están suficientemente deformados., Esto ocurre, por ejemplo, cuando el peso de un glaciar deforma el hielo en el fondo, haciendo que el glaciar en su conjunto se mueva. Del mismo modo, la energía geotérmica puede calentar la roca y hacer que fluya, poniendo en movimiento el proceso convectivo de la tectónica de placas, descrito anteriormente, que literalmente mueve la tierra.
dónde aprender más
Guía del educador para la convección (sitio Web). <http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.Erickson, Jon. Plate Tectonics: Unraveling the Mysteries of the Earth (en inglés). New York: Facts on File, 1992.Hess, Harry., «History of Ocean Basins» (Web site). <http://www-geology.ucdavis.edu/~GEL102/hess/jesse.htm>.Jones, Helen. Open-Ocean Deep Convection: A Field Guide (en inglés). <http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis Teacher’s Guide Actividad 4 (sitio Web). <http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.
Santrey, Laurence, and Lloyd Birmingham. Calor. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.
Scorer, R. S., and Arjen Verkaik. Cielos Espaciosos. Newton Abbot, England: David and Charles, 1989.Sigurdsson, Haraldur., Melting the Earth: The History of Ideas on Volcanic Eruptions (en inglés). New York: Oxford University Press, 1999.
Smith, David G. the Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. New York: Cambridge University Press, 1981.
términos clave
astenosfera:
una región de presión extremadamente alta subyacente a la litosfera, donde las rocas se deforman por enormes tensiones. La astenosfera se encuentra a una profundidad de aproximadamente 60-215 millas. (aproximadamente 100-350 km).
atmósfera:
en general, una atmósfera es un manto de gases que rodean a un planeta., Sin embargo, a menos que se identifique lo contrario, el término se refiere a la atmósfera de la tierra, que consiste en nitrógeno (78%), oxígeno (21%), argón (0.93%) y otras sustancias que incluyen vapor de agua, dióxido de carbono, ozono y gases nobles como el neón, que juntos comprenden 0.07%.
Biosfera:
una combinación de todos los seres vivos en la tierra—plantas, animales, aves, vida marina, insectos, virus, organismos unicelulares, etc.-así como todos los seres vivos que antes no se han descompuesto.
conducción:
la transferencia de calor por colisiones moleculares sucesivas., La conducción es el principal medio de transferencia de calor en sólidos, particularmente metales.
convección:
circulación Vertical que resulta de diferencias en densidad provocadas en última instancia por diferencias de intemperatura. La convección implica la transferencia de calor a través del movimiento del fluido caliente de un lugar a otro y es de dos tipos, natural y forzado. (Véase convección natural, convección forzada. )
corriente de convección:
el flujo de material calentado por convección.,
célula convectiva:
El patrón circular creado por el aumento del fluido calentado y el hundimiento del fluido enfriado. Esto a veces se llama célula de convección.
núcleo:
el Centro de la Tierra, un área que constituye aproximadamente el 16% del volumen del planeta y el 32% de su masa. Hecho principalmente de hierro y otro elemento más ligero (posiblemente azufre), se divide entre un núcleo interno sólido con un radio de aproximadamente 760 mi.(1.220 km) y un núcleo exterior líquido alrededor de 1.750 millas. (2,820 km) de espesor.,
corteza:
la división más alta de la tierra sólida, que representa menos del 1% de su volumen y varía en profundidad de 3 a 37 millas. (5 a 60 km). Debajo de la corteza está el manto.
fluido:
en las Ciencias Físicas, el término fluido se refiere a cualquier sustancia que fluye y, por lo tanto, no tiene una forma definida. Los fluidos pueden ser líquidos y gases. En las ciencias de la tierra, ocasionalmente sustancias que parecen ser sólidas (por ejemplo, el hielo en los glaciares), de hecho, fluyen lentamente.,
convección forzada:
convección que resulta de la acción de una bomba u otro mecanismo (ya sea artificial o natural), dirigiendo el fluido calentado hacia un destino particular.
geosfera:
la parte superior de la corteza continental de la tierra, o la porción de la tierra sólida en la que viven los seres humanos y que les proporciona la mayor parte de sus alimentos y recursos naturales.
calor:
energía térmica interna que fluye de un cuerpo de materia a otro.,
hidrosfera:
la totalidad del agua de la Tierra, excluyendo el vapor de agua en la atmósfera, pero incluyendo todos los océanos, lagos, arroyos, aguas subterráneas, nieve y hielo.
energía cinética:
la energía que un objeto posee en virtud de su movimiento.
litosfera:
la capa superior del interior de la Tierra, incluyendo la corteza y la parte frágil en la parte superior del manto.
manto:
la capa densa de roca, aproximadamente 1,429 mi. (2.300 km) de espesor, entre la corteza terrestre y su núcleo.,
convección NATURAL:
convección que resulta de la flotabilidad del fluido calentado, lo que hace que se eleve.
tectónica de placas:
El nombre tanto de una teoría como de una especialización de tectónica. Como área de estudio, la tectónica de placas se ocupa de las grandes características de la litosfera y las fuerzas que las forman. Como atheory, explica los procesos que han dado forma a la Tierra en términos de placas y su movimiento.
placas:
segmentos grandes y móviles de la litosfera.,
radiación:
la transferencia de energía por medio de ondas electromagnéticas, que no requieren ningún medio físico (por ejemplo, agua o aire) para la transferencia. La Tierra recibe la energía del sol a través del espectro electromagnético por medio de la radiación.
hundimiento:
término que se refiere al proceso de hundimiento, por parte del aire o de la tierra sólida, o, en el caso de la tierra sólida, a la formación resultante. Así, el hundimiento se define diversamente como el movimiento descendente del aire, el hundimiento del suelo, o una depresión en la corteza terrestre.,
sistema:
cualquier conjunto de interacciones que se pueden separar mentalmente del resto del universo con fines de estudio, observación y medición.
tectónica:
el estudio del tectonismo, incluidas sus causas y efectos, sobre todo la construcción de montañas.
tectonismo:
la deformación de la litosfera.
temperatura:
la dirección del flujo de energía interna entre dos sistemas cuando se está transfiriendo calor. La temperatura mide la energía cinética molecular promedio en tránsito entre esos sistemas.,
energía térmica:
energía térmica, una forma de energía cinética producida por el movimiento de partículas atómicas o moleculares en relación entre sí. Cuanto mayor sea el movimiento relativo de estas partículas, mayor será la energía térmica.
