En dinámica de fluidos , una celda de convección es el fenómeno que ocurre cuando existen diferencias de densidad dentro de un cuerpo de líquido o gas . Estas diferencias de densidad dan como resultado corrientes de convección ascendentes y/o descendentes , que son las características clave de una celda de convección. Cuando se calienta un volumen de fluido, se expande y se vuelve menos denso y, por lo tanto, más flotante que el fluido circundante. La parte más fría y densa del fluido desciende para asentarse debajo del fluido más cálido y menos denso, y esto hace que el fluido más cálido se eleve. Tal movimiento se llama convección , y el cuerpo de líquido en movimiento se conoce como celda de convección . Este tipo particular de convección, donde una capa horizontal de fluido se calienta desde abajo, se conoce como convección de Rayleigh-Bénard . La convección generalmente requiere un campo gravitacional, pero en experimentos de microgravedad, se ha observado convección térmica sin efectos gravitacionales. [1]
Los fluidos se consideran materiales que presentan la propiedad de fluir ; sin embargo, este comportamiento no es exclusivo de los líquidos. Las propiedades de los fluidos también se pueden observar en gases e incluso en partículas sólidas (como arena, grava y objetos más grandes durante los deslizamientos de rocas ).
La célula de convección es la más notable en la formación de nubes, con su liberación y transporte de energía. A medida que el aire se desplaza por el suelo, absorbe calor, pierde densidad y asciende hacia la atmósfera. Cuando es forzado a entrar en la atmósfera, que tiene una presión de aire más baja, no puede contener tanto líquido como a una altitud más baja, por lo que libera su aire húmedo, produciendo lluvia. En este proceso, el aire caliente se enfría, gana densidad y cae hacia la tierra y la célula repite el ciclo.
Las células de convección pueden formarse en cualquier fluido, incluida la atmósfera terrestre (donde se denominan células de Hadley ), el agua hirviendo, la sopa (donde las células se pueden identificar por las partículas que transportan, como los granos de arroz), el océano o la superficie del Sol . El tamaño de las células de convección está determinado en gran medida por las propiedades del fluido. Las células de convección pueden producirse incluso cuando el calentamiento de un fluido es uniforme.
Un cuerpo de fluido que asciende normalmente pierde calor cuando encuentra una superficie fría cuando intercambia calor con un líquido más frío a través del intercambio directo, o en el ejemplo de la atmósfera de la Tierra , cuando irradia calor. En algún momento, el fluido se vuelve más denso que el fluido debajo de él, que todavía está ascendiendo. Como no puede descender a través del fluido ascendente, se mueve hacia un lado. A cierta distancia, su fuerza descendente supera la fuerza ascendente debajo de él y el fluido comienza a descender. A medida que desciende, se calienta nuevamente a través del contacto con la superficie o la conductividad y el ciclo se repite.
El aire cálido tiene una densidad menor que el aire frío, por lo que el aire cálido se eleva dentro del aire más frío, [2] de manera similar a los globos aerostáticos . [3] Las nubes se forman cuando el aire relativamente más cálido que transporta humedad se eleva dentro del aire más frío. A medida que el aire húmedo se eleva, se enfría, lo que hace que parte del vapor de agua en el paquete de aire ascendente se condense . [4] Cuando la humedad se condensa, libera energía conocida como calor latente de vaporización, que permite que el paquete de aire ascendente se enfríe menos que el aire circundante, [5] continuando la ascensión de la nube. Si hay suficiente inestabilidad en la atmósfera, este proceso continuará el tiempo suficiente para que se formen las nubes cumulonimbus , que sustentan los rayos y los truenos. Generalmente, las tormentas eléctricas requieren tres condiciones para formarse: humedad, una masa de aire inestable y una fuerza de sustentación (calor).
Todas las tormentas eléctricas, independientemente del tipo, pasan por tres etapas: una "etapa de desarrollo", una "etapa de madurez" y una "etapa de disipación". [6] La tormenta eléctrica promedio tiene un diámetro de 24 km (15 mi). [7] Dependiendo de las condiciones presentes en la atmósfera, estas tres etapas tardan un promedio de 30 minutos en completarse. [8]
El calentamiento causado por la compresión del aire descendente es responsable de fenómenos invernales como el chinook (como se lo conoce en el oeste de América del Norte) o el föhn (en los Alpes).
La fotosfera del Sol está compuesta por células de convección llamadas gránulos , que son columnas ascendentes de plasma sobrecalentado (5.800 °C) con un diámetro medio de unos 1.000 kilómetros. El plasma se enfría a medida que sube y baja en los estrechos espacios entre los gránulos.