Convección
03 Dec, 2011
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PRESENTACIÓN: Nun tubo cadrado enchido con auga introdúcense unhas pingas de colorante alimentario. Ao quentar un extremo cun encendedor o colorante mostra a dirección do fluído quente cara á parte superior e o fluído frío cara á parte inferior.
- Lava Lamp, Todd R. Leif, Phys. Teach. 46, 219 (2008)
- Cooling of Water in a Flask: Convection Currents in a Fluid with a Density Maximum, S. Velasco, J. A. White, and F. L. Román, Phys. Teach. 48, 60 (2010)
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Este experimento me parece perfecto para visualizar una propiedad de la termodinámica de fluidos, que explica una gran cantidad de fenómenos de la naturaleza, como puede ser la circulación de fluidos en la atmósfera, o la circulación convectiva del manto astenosférico. Este último, se puede visualizar en el siguiente enlace de una forma muy clara y concisa.
Además de lo que apuntó Nuria, este proceso también lo podemos visualizar en la circulación oceánica, muy importante en la regulación de la temperatura del planeta. Este proceso se produce por el efecto de la circulación termohalina en los océanos, que como bien indica el nombre es debido a procesos diferencias de temperatura y salinidad en las diferentes masas de agua, o lo que es lo mismo diferentes densidades. Este vídeo me pareció muy instructivo, podríamos sustituir el efecto de la temperatura por el de la sal utilizando agua dulce y agua con sal.
El segundo vídeo me parece muy ilustrativo. Yo he estado indagando y divagando sobre el tema y encontré un uso curioso de este fenómeno que trata de calentar una habitación usando únicamente 4 velas, una bandeja de metal y dos macetas de cerámica de diferente tamaño. ¿ Y qué es lo que sucede?
Las velas encendidas calientan el aire que hay dentro de las macetas, como el calor tiende a ir hacia arriba, gracias a la creación de corrientes de convección entre el aire caliente y el frío, el aire caliente sale por el orificio de la maceta grande y por la parte de abajo de la bandeja…
Namibia, yo también he encontrado un método económico para aprovechar el fenómeno de convección en nuestro día a día. Me parece un link muy interesante que además tiene un esquema tremendamente ilustrativo sobre el funcionamiento del mismo.
Os dejo el enlace.
Me parecen muy interesantes los ejemplos de mis compañeros anteriormente expuestos sobre este término, ilustrando una gran cantidad de fenómenos que ocurren en la naturaleza. Sin embargo creo que a la hora de explicar esto a los alumnos, nos deberíamos referir a explicaciones que puedan ocurrir en su vida diaria y que así le resulte más fácil de asimilar. Por ejemplo podemos decirles que prueben en su casa a observar que pasa cuando calentamos en una olla con algún alimento o simplemente si es mejor que coloquen un calentador de aire cuando se vayan a duchar en el suelo o en lo alto de un mueble. Creo que sería una forma más fácil de visualizar este efecto y que les haría pensar más sobre el mismo.
Como bien ha explicado Nuria, existen movimientos convectivos en el manto de la Tierra.
He encontrado un experimento que me parece muy interesante para explicar el proceso convectivo en el interior de la Tierra. También este experimento sirve para explicar lo que ocurre en las lámparas de lava que muchas personas tienen hoy en día en sus casas.
El video me parece muy ilustrativo gracias al colorante alimentario. Con este experimento se pueden explicar multitud de fenómenos que ocurren en la naturaleza. Por ejemplo desde las corrientes de convección el interior de la tierra a por ejemplo el movimiento de agua que se produce dentro de un radiador
Este es el motivo por el que los radiadores van siempre pegados al suelo y los aparatos de aire acondicionado van en el techo. Para calentar se hace desde abajo, así, por convección del aire, se calienta toda la habitación y para enfriar se hace desde arriba, para enfriar toda la habitación.
A convección ocorre a gran escala na circulación atmosférica e oceánica, no clima, no manto ocasionando o fenómeno de tectónica de placas e incluso no sol e nas estrelas. En líquidos e gases a convección é normalmente a forma mais eficiente de transferir calor.
Como se observa claramente nos vídeos anteriores, este fenómeno ten lugar cando áreas de fluído quente ascenden debido a que presentan unha menor densidade que o fluído frío. Consecuentemente, o fluído frío descende xa que a súa densidade é maior, tomando o lugar do fluído quente que ascendeu. Este ciclo dá lugar a unha continua circulación no que o calor é transferido cara as rexións frías.
Este fenómeno pódese observar tamén na vida diaria no momento de quentar aceite nunha tixola a moi altas temperaturas, conducindo ás chamadas conveccións de Bernard-Marangoni. Nelas obsérvase a formación de estruturas regulares de células nas que o aceite quente ascende mentres simultaneamente a mesma cantidade de aceite mais frío descende cara o fondo da tixola. Este fenómeno pódese observar neste vídeo e neste outro.
En el siguiente enlace se muestra un experimento casero bastante espectacular que también sirve para ilustrar el fenómeno de convección. Al calor generado por la llama hay que añadirle el calor generado por la combustión de la bolsa, y ello magnifica el efecto de la convección. Por otra parte, quizás sea más prudente hacer este tipo de experimentos en los exteriores …
La convección consiste en la transferencia de calor entre dos fluidos ( ya sean líquidos o gaseosos) que están a diferentes temperaturas. Dicha transferencia de calor se estará produciendo hasta que se alcance un equilibrio térmico es decir hasta que las temperaturas se igualen. Este fenómeno no solo puede observarse en líquidos sino también en gases y en el siguiente vídeo se muestra otro experimento que ilustra la convección en este segundo tipo de fluidos.
Lo que ocurre es que las moléculas de aire que se van calentando al ver incrementada su temperatura se aceleran, pierden densidad y esto hace que al ascender muevan la espiral de papel. Este vídeo ilustra el proceso que tiene lugar en la atmósfera y que se ha descrito en otros comentarios. El fenómeno de transferencia de calor por convección tiene múltiples aplicaciones en nuestra vida cotidiana desde la circulación atmosférica citada en otros comentarios, hasta el funcionamiento de aparatos que usamos diariamente como un frigorífico o un radiador.
La convección es una forma de trasferencia de calor y se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce por medio de materiales fluidos y cuando se calientan, aumentan el volumen y, por lo tanto, disminuyen su densidad y ascienden, desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Un ejemplo de convección, lo podemos ver en las calderas, las cuales emplean un intercambiador de calor. Este intercambiador consiste en una tubería metálica, donde en su interior circula agua y en el exterior gas a temperatura muy elevada. El gas muy caliente circula en una dirección cediendo calor por convección al tubo metálico, y este lo recibe por conducción. El tubo se calienta y cede calor por conducción al agua, que circula en otra dirección y recibe el calor por convección, calentándose hasta convertirse en vapor.
La convección es un proceso físico que tiene también lugar a nivel atmosférico. El sol calienta la superficie de la tierra, y este calor se transmite al aire en contacto con la superficie, lo cual provoca que éste se expanda y disminuya su densidad. Este aire tenderá a ascender por flotabilidad generando “corrientes térmicas”. Este tipo de corrientes son aprovechadas por algunas aves para planear y conseguir elevarse.
Además de los ejemplos comentados previamente, me gustaría comentar otro ejemplo que es bastante más ajeno a nosotros, ya que este fenómeno de la convección no sólo se produce en la Tierra, sino que también en lugares tan remotos como el Sol. De hecho, una de las tres partes principales de esta estrella recibe el nombre de zona de convección, y supone el 30% más externo del radio del astro. Estas corrientes llevan a la superficie solar constantes cantidades de gas caliente a la vez que retorna el gas que ha perdido calor en la superficie. Para más información dejo este enlace.
La convección es, sin duda, un proceso imprescindible para la vida en nuestro planeta, desde el producido en el sol hasta los que tienen lugar en la Tierra, como los atmosféricos y oceánicos.
Dejo también otro link en el que aparecen algunos pequeños ejemplos de eventos en los que se da la convección.
La convección se utiliza en muchos procesos industriales, bien sea natural o forzada. Un caso particular y típico del uso de la convección se da en las torres de enfriamiento de las centrales térmicas, tanto utilicen combustibles fósiles como material radiactivo.
En la torre de enfriamiento por convección natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire que se mueve a través de la misma y las gotas de agua se enfrían tanto por convección ordinaria como por evaporación. A diferencia de éstas, en las torres de enfriamiento por convección forzada o de tiro mecánico el agua se pulveriza en una corriente de aire producida por un ventilador, el cual la hace circular a través de la misma. Son las más utilizadas al asegurar una mejor distribución interna del aire.
En el siguiente vídeo se recoge una explicación del funcionamiento de una torre de enfriamiento por convección forzada.
Como dice Ana la convencción se utiliza en muchos procesos en la industria por ejemplo en la industria alimentaria es la base del funcionamiento de los intercambiadores de calor donde un gas a alta temperatura circula en una dirección calentando por convección la tubería donde se encuentra el liquido que se quiere calentar.
Otro experimento que ilustra el mismo fenómeno que podéis ver en el siguiente enlace.
El experimento del tubo cuadrado para entender el fenómeno de la convección me parece que está muy bien, ya que es muy fácil de realizar y es muy gráfico . Me parece espetacular el que muestra ” manu dc ” en su enlace, es curiosísimo . Voy a hacerlo para ver si sale de esa manera tan sencilla . No me extraña que el niño esté muy sorprendido.
É pola convección que nas zonas de costa danse dous tipos de brisas, a mariña de día, e a terrestre de noite. O mesmo fenómeno produce as brisas de val. Polo que tanto alumnos de costa como de interior poden experimentar éste fenómeno. Neste vídeo explícase como ocorre. Unha forma moi simple de ilustralo na aula é cun misto encendido, se nos situamos coa porta aberta, a chama inclinarase segundo a coloquemos na parte alta ou baixa; cara o corredor (aire máis frío) arrastrada pola saída de aire do interior da clase (máis quente) se a colocamos na parte de arriba da porta e o revés cando se coloca preto do chan.
Tamén se pode facer unha pequena montaxe na propia aula cunha espiral de papel e unha vela é unha experiencia que sempre sae ben. En algunhas casas de decoración en nadal pode mercarse un pequeno molinillo que funciona do mesmo xeito e que nos aforra a construcción do sistema anterior.
Un xeito interesante de achegar ao alumnado os distintos xeitos de transferencia de calor que existen é achegando á aula ou ao laboratorio distintos calefactores usados nas nosas vivendas que se basean nestes principios: emisores térmicos, radiadores, convectores… Nesta ligazón pódense ver distintos tipos de calefactores que o profesor pode empregar para explicar os distintos tipos de transferencia de calor que os sustentan.
O experimento amosa moi ben como funciona a convección. Con outro experimentos similares pódese explicar a condución de calor, quentando por un extremo unha barra de metal e os alumnos comprobando que se quenta o outro extremo, ou a radiante, quentando un fío de cobre e sentindo como quenta ao achegar a man o fío. Unha vez observados os tres fenómenos de transferencia de calor poden facer os alumnos unha actividade na que se planteen distintos sistemas de calefacción para a aula, avaliar en que consiste cada un deles, e con cal dos tres métodos de transferencia de calor sería máis rápido quentar a aula.
Como explica Laura, as correntes de convección na natureza son as que controlan a circulación atmosférica, pero tamén os movementos de placas tectónicas. Déixovos unha recreación moi interesante da convección no manto.
Relacionado con isto, e coma unha curiosidade, déixovos o enlace a un artigo de investigación moi interesante onde se fala do posíbel cambio tectónico do marxe continental atlántico, pasando a ser unha zoa de subdución!
Para física e química de segundo da ESO no bloque de propiedades da materia con estes experimentos amosan moi ben a transferencia de enerxía en forma de calor por medio do movemento das partículas dun fluído( Líquido ou gas) entre zonas con diferentes temperaturas, e dicir , a convección. Este proceso se lles pode explicar os alumnos que ocorre a diario tanto na natureza ( circulación de fluídos en la atmosfera, las correntes conectivas do manto, a circulación oceánica) como na casa ( o ferver auga, na calefacción e o aire acondicionado) ou nos procesos industriais ( torres de frixe nas centrais térmicas).
Vídeo muy ilustrativo donde se explica fácilmente el fenómeno de la formación de corrientes de convección, muy relacionado con el cambio climático ya que las corrientes de convección oceánicas están modificándose afectando a las corrientes de convección atmosféricas. Sería muy interesante para introducir al alumno en esta materia y advertirles de las posibles consecuencias que esto supondría y así concienciarles sobre esta problemática.
Este experimento es muy interesante para ilustrar a los estudiantes las corrientes de convección. La convección es una forma de transferencia de calor propia de los fluidos. El agua caliente al ser menos densa que el agua fría genera una corriente ascendente, mientras que el agua fría al ser más densa se queda en el fondo del recipiente. La convección es un fenómeno muy común en la naturaleza y en la vida diaria. Por ejemplo, las corrientes oceánicas, la circulación atmosférica y las corrientes del interior de la tierra son ejemplos de corrientes de convección. Asimismo, el funcionamiento de un radiador se fundamenta en la convección. Otra actividad manipulativa que también ayuda a entender que es la convección es la creación de un volcán submarino. Estos experimentos pueden llevarse a cabo en el aula de forma barata y sin necesidad de materiales especiales. Tan solo necesitaríamos una placa calefactora para calentar el agua, que generalmente está disponible en la mayor parte de los laboratorios de los centros docentes.
La convección es una forma de transferencia térmica que se produce por un medio fluido que puede ser líquido o gas. En este experimento que se nos muestra, se trabaja con un fluido. Este fenómeno se produce porque el fluido al calentarse se vuelve menos denso y tiende a elevarse sobre las regiones frías que son más densas. Esta forma de transferencia de calor es la que explica que se pueda calentar un cuarto entero usando un simple radiador, o calentar el volumen entero del agua en una cacerola calentando únicamente su base.
Este tipo de experimentos tan visuales resultan muy útiles para llevarlos a un aula de secundaria ya que mediante una sencilla y llamativa experiencia se capta la atención de los alumnos y ayuda al profesor a explicar una serie de conceptos, que quizá, para alumnos de secundaria resulte complejo de entender. Estos experimentos de convección son útiles para explicar, por ejemplo, la circulación termohanlina o cinta transportadora en el océano, lo que ocurre cuando calentamos agua en una olla
El proceso de convección tanto natural como forzada está constantemente presente en nuestras vidas. Cuando esperamos a que una taza de café o un plato de sopa se enfríe, tiene lugar la convección natural, pero seguro que si se les pregunta a los alumnos qué harían si tienen prisa, la respuesta sería soplar para que se enfríe antes. Cuando soplamos, lo que se produce es la convección forzada, que es más efectiva que la natural, y por lo tanto se enfría antes. A pesar de que es algo que la inmensa mayoría harían, no saben cual es la razón de que esto ocurra, y por eso es necesario realizar experimentos visuales como el que aquí se ha propuesto.
Este experimento es perfecto para que los alumnos se den cuenta de que hay un montón de cosas que no se ven pero que están delante de nosotros. Dentro de cualquier olla que se esté calentando se produce un desplazamiento del agua caliente hacia arriba y del agua fría que desciende. Pero es que ese mismo desplazamiento se produce en los océanos, pero a gran escala (cinta transportadora oceánica) donde, en esencia, el agua fría, más densa desciende y viaja a latitudes más cálidas, donde al caldearse se hace menos densa y vuelve a ascender. Cabe señalar, para no llevar a equívoco, que los mecanismos de esta cinta transportadora oceánica son varios, uno de ellos es el aquí señalado pero hay diversos factores que influyen en esta circulación oceánica.
Este experimento es ideal para introducir en el aula de 4º de la ESO, en la asignatura de Física y Química, conceptos como la distribución por capas de los gases y líquidos debido la densidad producidos por cambios en la temperatura, y la circulación océanica de las corrientes marinas, ya que podemos encontrar en el currículum el bloque 5 “La energía”: formas de intercambio de energía
Es muy fácil ver este suceso en el aula si está la calefacción encendida, ya que el aire, al calentarse, crea una corriente que se puede observar si colocamos en perpendicular un hilo fino, o un poco de humo. También nos sirve para explicar por qué en casa durante el invierno la planta inferior es más fría a pesar de que dispone de chimenea/calefacción, mientras que las plantas superiores son más calientes, por lo que es aquí donde se suelen colocar as habitaciones
El segundo video me parece una forma muy buena de observar el proceso de convección, si bien es cierto que personalmente hubiese intercambiado los colorantes, azul para el hielo y rojo para el agua caliente, ya que me parece que así podría confundir a algún alumno en un momento puntual.
Como indican algunas personas en los comentarios anteriores se forma un sistema circulatorio de corrientes oceánicas llamado circulación termohalina, cuyo funcionamiento está basado en la formación de corrientes de densidad. Este es uno de los mecanismos de termorregulación que se dan en el planeta para equilibrar la temperatura.
Mercedes, indica cómo se forman corrientes de viento en el planeta debido a procesos de convección térmica. Me permito añadir que esos vientos generados también por el calentamiento diferencial del planeta, van a dar lugar al establecimiento de lo que se denomina la circulación atmosférica global, que se desarrolla también con la finalidad de equilibrar las diferencias térmicas entre las zonas calientes y frías del planeta, por lo que constituye el segundo de los mecanismos de termorregulación planetaria.
Una experiencia sencilla de realizar y que requiere disponer de ciertos materiales específicos sería la reproducción de la circulación atmosférica del planeta de forma simplificada, que se basa en la célula convectiva de Hadley. A continuación dejo el enlace a un video de YouTube en el que podemos ver como la Disney abordo el tema en su papel de divulgación de la ciencia y de la formación de niños y no tan niños.
Este experimento utilizado para explicar los procesos de convección puede ser utilizados para explicar fenómenos que ocurren en la naturaleza tales como las células de convección atmosférica, la circulación termohalina global, o bien las células de convección del manto; ya que el principio físico sería el mismo en todos los casos.
O segundo vídeo é de grande interese para comprender o fenómeno da convección que aínda que non nos decatemos, está moi presente no medio ambiente. Na ornitoloxía, disciplina da bioloxía que estuda todos os aspectos relacionados coas aves, é de suma importancia xa que as grandes aves planeadoras empregan as correntes de convección para ascender sen apenas aletear e así poder logo planear a grande altura para emprender a súa longa viaxe nas grandes migracións que se dan entre o hemisferio norte e o hemisferio sur cada primavera e cada outono.
Este experimento me parece muy ilustrativo para el fenómeno de la convección. Puesto que se propone calentar el agua para dar lugar a la circulación característica, también se podrían emplear cámaras termográficas para ilustrar de una forma más completa este fenómeno de circulación. Como bien señalan otros compañeros, el fenómeno de convección es fundamental para explicar la Tectónica de Placas, que se introduce en cuarto de Educación Secundaria Obligatoria. Esta Teoría puede resultar compleja para los alumnos, por lo que todos los recursos disponibles son útiles en algún momento. El antiguo Ministerio de Educación y Deporte tenía una web interactiva para su estudio.
Este experimento puede resultar especialmente útil durante el desarrollo del Bloque 2. Dinámica dos sistemas fluídos de la asignatura Ciencias de la Tierra y Medioambiente de 2º de bachillerato de acuerdo con el DECRETO 86/2015, do 25 de xuño, polo que se establece o currículo da educación secundaria obrigatoria e do bacharelato na Comunidade Autónoma de Galicia.
Este experimento representa la convección natural de un fluido, que es aquella causada exclusivamente por las diferencias de temperatura. Sin embargo, también existe una convección forzada en la que se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como viento o una bomba.
Esto influye en el que es, probablemente, uno de los fenómenos más importantes que influyen en el clima, y el cual debemos dejar bien claro en la mente de nuestros estudiantes: el upweeling.
En este enlace dejo una página donde se explica de forma breve y sencilla este fenómeno.
Gracias a demostraciones tan sencillas y visuales como la del segundo vídeo, los alumnos de secundaria pueden entender el proceso de convección. Entender este fenómeno es una base imprescindible para comprender cómo funciona el clima y las corrientes oceánicas en nuestro planeta. Más concretamente, la convección es la base del funcionamiento de la “Cinta Transportadora Oceánica”.
Como se explica en el siguiente video, este cinturón transportador de agua funciona moviendo el calor de unos puntos a otros de nuestro planeta. En los fríos océanos del norte, el agua fría, rica en oxígeno, desciende y viaja hacia el ecuador a través del suelo oceánico. En el ecuador, esta masa de agua se calienta y vuelve a subir, fluyendo por la superficie hacia los polos para reemplazar el agua que se ha hundido. Esta cinta, que transporta oxígeno, nutrientes y calor por todo el mundo, se ve amenazada por el calentamiento global, que pone en peligro el enfriamiento y descenso del agua en los polos, lo que pararía la cinta transportadora.
Como comentástedes as correntes de convención están detrás de moitos fenómenos naturais, entre os que podemos mencionar a tectónica de placas, as correntes mariñas ou as correntes de aire na atmósfera.
O experimento mostrado sérvenos para demostrar o comportamento dos líquidos, pero podemos levar a cabo sinxelos experimentos para demostrar o comportamento dos gases. No link exemplifícanse algúns deles: un moi sinxelo que consiste en elaborar unha espiral de papel e situala por riba dun radiador (onde o aire quente que ascende a vai facer xirar) e outro máis curioso que consiste en aproximar un cigarro acendido a unha vela onde se observa que o fume se ve “atraído” cara a vela ascendendo pola columna de aire quente que emana desta.
Experimento moi ilustrativo sobre a convección. Como xa se falou nalgún comentario previo, a convección está moi presente na atmosfera; é responsable en boa medida das tormentas de primavera e verán. Nesta época do ano a radiación do sol quenta o chan e a masa de aire que está contacto con él. A masa de aire cálido, ascende (aire cálido é menos denso que o aire frío), e este aire cálido é remprazado por aire frío (maior densidade, pesa máis) que descende formando deste xeito unha corrente de convección.
Como consecuencia do ascenso da masa de aire cálido, esta enfríase e condensa o vapor de auga que conten. Se posúe o suficiente vapor de auga e alcanza o nivel de condensación formase unha nube, normalmente do tipo cumulus (nube de desarrollo vertical). Se nos fixamos neste tipo de nubosidade, a súa base é horizontal o que indica o nivel de condensación na atmosfera (nivel ó cal o vapor de auga condensa). Se existe suficiente vapor de auga e inestabilidade na atmofera o cumulus crecerá na vertical formando un cumulonimbo responsable das tormentas de primavera e verán da tarde.
Paréceme interesante empregar a convección como exemplo para introducir aos alumnos a teoría do caos. Libchaber fixo un experimento no que puxo mercurio entre dúas placas sometidas a un gradiente térmico e mediu a temperatura no punto medio no que as dúas correntes de convección (que xiran en sentidos opostos) se xuntan e comprobou como a oscilación da temperatura nese punto duplicaba a súa frecuencia conforme aumentaba o gradiente térmico.
O artículo é: A. Libchaber, C. Laroche, S. Fauve. Period doubling cascade in mercury, a quantitative measurement.
Otro ejemplo en donde se pone de manifiesto el concepto de convección es en el siguiente vídeo realizado con una vela, una habitación con calefacción en una noche fría de inverno, pero lo más importante es tener mucho cuidado.
Este experimento me parece muy interesante para visualizar la transferencia de calor por convección. Puede ser muy útil una experiencia como esta después de introducir los 3 mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación, para lo que se puede recurrir a este vídeo de enfoque industrial o a este de meteorología.
A la hora de explicar este fenómeno, y cualquier fenómeno de transferencia de calor o materia, me parece de vital importancia recalcar el hecho de que es el gradiente de temperatura/concentración lo que provoca el proceso de transferencia. Por lo tanto, creo que sería muy interesante realizar el experimento del vídeo dos por duplicado, sin que existan un gradiente de temperaturas en en recipiente. Otra forma de mejorar el experimento sería utilizar dos gradientes de temperatura distinto, i.e., hielo y agua del grifo, y hielo y agua caliente. De esta forma los alumnos podrán comparar la magnitud del fenómeno.
Las corrientes de convección oceánicas se tratan de un proceso fundamental en el funcionamiento del planeta y del clima de este, ayudando a equilibrarlo. El cambio climático está repercutiendo en su velocidad, con consecuencias que no podemos prever. Un breve artículo sobre el tema.
El fenómeno de la convección también se puede ilustrar mediante un experimento usando cuatro botellas, agua y dos colorantes distintos. Dos botellas se llenarán de agua caliente (teñida de amarillo, por ejemplo) y dos de agua fría (teñida de azul, por ejemplo). Interconectaremos la boca de una botella fría y de una caliente, dejando la caliente debajo, con las otras dos haremos lo contrario (la fría debajo). En el caso en el que el agua caliente está debajo se mezclará el agua, ya que esta asciende mientras que la fría desciende, y se volverá verde la mezcla. En cambio, en el caso de las otras dos botellas no se mezclarán los colores, ya que el agua caliente ya se encuentra en la superior.
Un ejemplo característico es el de las corrientes de convección que se producen debido a un calentamiento por gradientes de temperatura. Los materiales cálidos poseen una menor densidad y ascienden debido a que son más ligeros, mientras que los materiales fríos se hunden debido a que son más densos y pesados. Esto es lo que ocurre en las corrientes de convección que tienen lugar en la atmósfera, en el agua, y en el manto de la tierra. En la atmósfera, el aire asciende a medida que aumenta de temperatura, mientras que el aire frío (más denso) fluye por debajo. La convección también contribuye a la formación de corrientes oceánicas.
Estos principios físicos sirven para ilustrar muy bien por qué, por ejemplo, los radiadores de calefacción se colocan hacia el suelo de la vivienda, porque el aire caliente tiende a subir por su menor densidad, mientras que los aires acondicionados se colocan en el techo, ya que el aire frio es más denso y tiende a bajar. Si se colocaran al revés, no sé contribuiría a homogeneizar la temperatura de la habitación, si no que el aire quedaría estratificado (Si ponemos la calefacción en el techo, el aire caliente se acumularía arriba, y si pusiéramos el aire acondicionado en el suelo, el aire frío se acumularía abajo).
También sirve para explicar por qué para hacer volar un globo aerostático se le aporta aire caliente.
La convección no solo es un fenómeno que se da de forma natural como se ha explicado con anterioridad (corrientes oceánicas…), sino que además somos capaces de usar este conocimiento para nuestro beneficio. Un claro ejemplo es el ya comentado sobre la situación de los radiadores de calefacción en el suelo. Sin embargo, en el campo de la Microbiología juega un papel fundamental, ya que para garantizar la asepsia y la no contaminación de los cultivos que se estén manipulando, siempre que no se trabaje debajo de una campana se debe trabajar en un radio de como mucho 30 cm cerca de un mechero Bunsen encendido, porque precisamente las corrientes de convección ascendentes garantizan que cualquier microorganismo que pueda haber en el ambiente cercano al área de trabajo (por ejemplo microbios procedentes de nuestra boca al respirar) contaminen las muestras. A mayores añado un ejemplo de vídeo en el que se muestra este efecto de la convección en los gases.
Este experimento visual puede aprovecharse de distintas maneras en el aula, pudiendo explicar a los estudiantes el segundo principio de la termodinámica con el enunciado de Clausius. Se puede explicar el fenómeno de transmisión de calor por convección mediante una realidad próxima a los estudiantes como el calentamiento de una habitación por medio del uso de radiadores, donde esta transmisión de calor depende del coeficiente de convección del aire, el área superficial de contacto y el diferencial de temperatura. Tras esto es posible plantear una reflexión sobre el nombre de estos objetos, ¿no se deberían denominar convectores? Lo cual también sirve de introducción al concepto de transmisión de calor por radiación.
Esta me parece una manera muy clara de entender el concepto de convección y de explicársela, por lo tanto, a nuestros alumnos. Dejo por aquí otro experimento que también puede resultar interesante para realizar en clase.
Me encanta este experimento: es muy sencillo y explica un fenómeno tan cotidiano como la lluvia. ¿Os acordáis de cuando el expresidente Mariano Rajoy dijo en un mitin: “Esto es como el agua que cae del cielo, que nadie sabe muy bien porqué”? Pues se conoce que no le enseñaron este experimento en clase.
Muy interesante. Una forma muy visual de entender la convección es entrar en un supermercado en verano con chanclas. Cuando pasamos por la sección de frío se nos hielan los pies por la convección del aire enfriado en las cámaras. Seguro que cualquier alumno es capaz de recordar algo tan natural como esto.
Esto me ha recordado las propiedades tan curiosas del agua y su importancia de cara a la vida (biología) y nuestra vida. La densidad máxima del agua es a 4ºC. Esto afecta BIOLÓGICAMENTE a su patrón de congelación en lagos etc. Sin el máximo de densidad a cuatro grados el agua congelaría de una forma diferente. La superficie de agua de un lago se enfría cediendo su calor por conducción al aire del ambiente y por radiación. Este último proceso es eficaz por las noches sin nubes, pues la radiación térmica emitida por la Tierra y los lagos se pierde en el espacio. Por ejemplo, los procesos que suceden en un lago a 10 grados antes de que la temperatura exterior caiga bajo cero grados. Al primer frío, el agua de la superficie se enfría, su densidad aumenta a medida que se acerca la temperatura a cuatro grados. Más densa que el agua de las capas superiores, el agua superficial es arrastrada hacia el fondo y es reemplazada por el agua más caliente de la zona más profunda. Este proceso de convección iguala la temperatura del agua en todo el lago. De forma que mientras que la temperatura permanezca superior a los cuatro grados la masa entera del lago se enfría y el proceso tarda más tiempo cuanto más profundo es el lago. Esto explica la causa de que los charcos de agua se hielen antes que aparezca el hielo en las lagunas. Cuando la temperatura del agua alcanza los cuatro grados se acelera el enfriamiento. El agua de la superficie es menos densa que la profunda y permanece, enfriándose hasta cero grados antes de congelarse de forma muy fina, espesándose progresivamente mientras que el resto del agua del lago permanece a cuatro grados. Sin este mecanismo la vida acuática no podría existir en el invierno. Una capa de cinco centímetros de espesor es capaz de soportar una persona y una de 30 centímetros aguanta un camión. Esto afecta a NUESTRA VIDA a que los hielos de los cubatas floten y poder beber fresquita nuestra copichuela.
Estos vídeos ilustran de forma muy visual e intuitiva el concepto de transferencia de calor por convección. Con este experimento se puede comprender, por ejemplo, por qué un globo aerostático puede volar, o por que los radiadores se suelen poner en la parte de debajo de las paredes o en el suelo, mientras que los aires acondicionados suelen estar en el techo.
Sería interesante que algunos diseñadores de instalaciones de calefacción vieran estos videos para recordar el fenómeno de la convección. En un edificio donde estuve trabajando, los radiadores estaban colocados de forma vertical y a media altura y como resultado teníamos un edificio frío y necesitábamos usar calefactores para calentarnos.
El fenómeno que se muestra en el experimento, al estar relacionado directamente con las densidades que presenta el fluido según su temperatura, también se puede ilustrar utilizando líquidos (con diferente color) a diferentes densidades. Un experimento sencillo es preparar tres disoluciones, de diferente concentración, de azúcar blanco y teñirlas con colorante. Después las añadiremos de una a una, con cuidado, en un tubo de ensayo o cualquier recipiente de vidrio incoloro. Podremos ver como las disoluciones permanecen separadas, situándose en altura según su grado de densidad (la más densa abajo y la menos densa arriba).
Tal e como se expuso nun dos comentarios previos, as cámaras termográficas sirven para ilustrar dunha forma máis completa o fenómeno da convección. Nesta revisión de Carlomagno e Cardone, dous investigadores italianos con alta reputación dentro da termografía infravermella, analizan a capacidade da termografía infravermella para realizar medicións de transferencia de calor por convección e visualizacións de superficies en fluxos de fluidos complexos. Si se utiliza correctamente, a termografía infravermella representa unha ferramenta óptica moi potente que pode explotarse de forma beneficiosa en fluxos de fluidos complexos para medir os fluxos de calor convectivo dunha parede ou investigar o comportamento do campo de fluxo superficial. Como tal, ofrece unha amplia gama de oportunidades experimentais ao alumnado dentro da temática da dinámica de fluidos y da transferencia de calor. Deixo aquí un video, onde se revela a convección da auga, ao ser quentada, mediante unha cámara termográfica.
De nuevo un experimento interesante que nos permite observar un fenómeno que no se ve, pero que ocurre a nuestro alrededor. Algo tan simple como que el fluído más caliente sube y el frío baja he sido testigo de cómo no se tiene a veces en cuenta a la hora de climatizar un local y colocar bien las rejillas de impulsión y extracción de aire… en fin.
Las corrientes de convección también nos valdrían para explicar la dinámica de un volcán (ahora que hemos comprobado de primera mano que no es un fenómeno tan extraño). En este enlace considero que aparece bien explicado.
Esta característica nos permite explicar porque en la playa siempre existe la llamada brisa, debido a que en la superficie del mar la temperatura varía poco debido al poder calorífico del agua, algo que no ocurre en la superficie continental. Por lo que durante el día al calentarse el suelo calienta el aire de su alrededor y este asciende ocupando su lugar el aire frio que proviene de la superficie del mar. De noche ocurre lo contrario. En el siguiente video se ve de manera visual.
Estos dos vídeos y algunos de los aportados en los comentarios ilustran el concepto de convección. Pueden resultar muy útiles a la hora de tratar de explicar fenómenos como la tectónica de placas, las corrientes oceánicas o las corrientes atmosféricas. En un principio todos estos procesos pueden resultar de difícil comprensión para el alumnado porque a pesar de ocurrir de forma constante en la naturaleza no son observables a simple vista. Sin embargo, a través de estos experimentos logramos que contemplen una simulación de una corriente de convección facilitando así el entendimiento y asimilación del concepto.
Como ben mencionan as miñas compañeiras existen moitos fenómenos naturais que poderían ser explicados pola convección. Indagando atopei un vídeo que explica moi ben este concepto, así mesmo tamén menciona como inflúen as correntes de convección na sensación térmica que nos afecta e na regulación da temperatura nos animais.
Esta forma de transmisión de calor es la que explica fenómenos como la tectónica de placas. La roca fundida que forma el manto de la Tierra se mueve de esta manera, como se puede ver en este vídeo, formando nueva roca sólida en el punto en el que asciende el magma y separando las placas que forma, que a su vez caen por donde la temperatura es más baja y se destruyen.
El experimento es muy sencillo, pero la utilización de colorantes para poder visualizar fenómenos relacionados con fluídos transparentes es una excelente herramienta.
Me ha parecido fascinante utilizar colorantes para que el experimento se pueda observar de una manera tan clara. La convección es un proceso natural de transferencia de calor, que se produce en un medio fluído (bien sea agua o aire) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, disminuyen su densidad, provocando su ascenso al mismo tiempo que desplaza el fluido que está a menor temperatura. Siendo así, se me ocurre un ejemplo muy básico del día a día. ¿Qué sucede cuando tenemos el horno de casa caliente y abrimos la puerta para ver el interior? Que sale una bocanada de aire caliente hacia el exterior, que se dirige hasta el techo de nuestra cocina. Dicho esto, me parece muy curioso observar el fenómeno al contrario: cuando se deposita el fluído caliente puesto que éste tiene mayor densidad y además, no hay corriente de fluídos en el interior del recipiente, tal y como se puede observar en el siguiente vídeo.
A conveccción é un dos tres métodos de transmisión de calor xunto coa condución e coa radiación. Podemos distinguir dous tipos de convección: natural e forzada. Na natural o fluído móvese por si mesmo ao producirse un cambio de densidades e na forzada o fluído móvese pola acción dun ventilador ou dunha bomba. A convección é o principio de funcionamento, por exmplo, dos globo aerostáticos. Neles ao quentarse o aire do seu interior prodúcese o ascenso (xa que o aire do globo está mais quente que o aire ambiente), e cando se enfría ese aire interior o globo descende. No seguinte video pódese ver perfectamente o funcionamento dos globos aerostáticos.
Este experimento me parece muy ilustrativo e interesante para el alumnado. La convección es un fenómeno que tiene lugar también en los océanos, debido a las diferencias de temperatura. El agua fría y más densa de las regiones polares se hunde, mientras que las aguas más cálidas y menos densas están en la superficie. Gracias a esto, ocurre un fenómeno denominado upwelling (afloramiento costero) que tiene lugar aquí en las costas gallegas, y que permite que la producción de mejillones (y de marisco en general) en la ría sea de tan buena calidad y abundante. Las aguas frías circulan por las profundidades cargadas de nutrientes, pero al aproximarse a la costa, debido a los vientos estacionales intensos, el agua cálida superficial (y pobre en nutrientes) es desplazada, permitiendo que asciendan las aguas más frías y ricas en nutrientes.
Fascíname este exemplo. A convección de calor é responsable de moitísimos fenómenos naturais, como algúns tipos de ventos, movementos de placas tectónicas, pero tamén é responsable de cantidade de procesos técnicos e industriais: dende os radiadores de casa, tanto a través do fluído térmico como do aire (convección natural), así como na transmisión de calor nunha máquina de vapor ou un motor de combustión… Pero a maioría das veces é algo invisible para nós. Moi bo exemplo, considerarei levalo a práctica na aula
Un compañeiro realizou este experimento en clase para explicar as termoclinas, e a verdade é que me quedei fascinada, estívenllo contando aos meus familiares todas as vacacións de Nadal. Sen dúbida, un dos experimentos máis visuais e que máis me impactou este ano.
Esta separación de dos masas de agua es una forma de visibilizar algunos fenómenos más difíciles de ver, como los dos flujos (opuestos) que hay en el Estrecho de Gibraltar. El caso del Estrecho de Gibraltar no se corresponde exactamente con el fenómeno descrito en el vídeo, pues hay diferencia de temperatura, salinidad y un perfil dado, pero podría usarse colorantes para hacer una maqueta de lo que ocurre en el tramo entre Europa y África. En el estrecho, en la superficie, el agua se desplaza hacia el Mediterráneo, sin embargo, en las profundidades del estrecho (~100m) el agua fluye hacia el Atlántico. Puede verse el perfil de velocidades en este dibujo. Que es un estracto de este enlace, en castellano.
Gran experimento para realizar en el aula gracias a su sencillez y claridad gracias al empleo de colorantes. Además este experimento sirve para explicar múltiples conceptos como la estratificación de las aguas en océanos y lagos o la formación de corrientes de convección en el manto terrestre.
En otros comentarios anteriores he visto ejemplos que ilustran este fenómeno de convección muy interesantes, pero me gustaría destacar algunos que hacen hincapié en mostrar ejemplos más cotidianos, “tangibles” para los alumnos. Sin ir más lejos, podríamos preguntarles por qué creen que los radiadores y calefactores se ponen cerca del suelo y el aire acondicionado se instala en la parte superior de las habitaciones. Es un ejemplo cotidiano y simple que además hará que recuerden este fenómeno para siempre.
Justamente este año, en las aulas del master de profesorado, un compañero realizó este experimento para demostrarnos en qué consisten las termoclinas en los océanos. Además, añadió una pequeña explicación para simular lo que sucede con el deshielo de los polos…¡Con cubos de hielo con colorante amarillo! Sin duda, un experimento para recordar y reproducir en un futuro.
La convección es un fenómeno importante en la ciencia de la termodinámica y es esencial para entender cómo se transfiere el calor en los sistemas naturales y artificiales, como los océanos y los motores de combustión. En el agua, la convección se produce cuando las partículas más cálidas se levantan, lo que provoca un flujo de agua hacia arriba, mientras que las partículas más frías caen, lo que provoca un flujo hacia abajo. Este movimiento continuo del agua ayuda a homogeneizar la temperatura del agua y a asegurar una distribución equilibrada del calor. Gracias al colorante podemos ver este efecto de forma mucho más sencilla. En este blog podemos ver como realizan el experimento de otra manera y nos enseñan con dos vasos. Si el vaso de agua fria esta arriba y el caliente debajo se ve como el colorante se mueve hacia el frio que está sin colorante. En cambio, si el vaso caliente con colorante esta encima se ve que no pasa nada.
Este experimento me parece muy interesante para llevar a cabo en un aula ya que es muy sencillo pero se entiende perfectamente como funciona la convección en dos corrientes de agua a distinta temperatura. En este otro vídeo se puede ver otro ejemplo de convección pero en dos corrientes de aire a distintas temperaturas. Se comprueba que el aire caliente asciende ya que este movimiento provoca que la espiral gire.Hay veces que es un poco confuso diferenciar si el calor se transmite por conducción, convección o radiación. En este vídeo se explica de manera fácil y clara las diferencias.
Este experimento es muy visual y puede ayudar a comprender la diferencia entre convección y conducción del calor. En ocasiones los alumnos pueden confundir estos dos fenómenos y con ayuda de este experimento tan sencillo se puede realizar en clase, incluso en casa, y observar esta demostración tan interesante
Me parece un experimento muy original, a la vez que didáctico y sencillo para realizar con el alumnado. He encontrado un experimento muy similar, pero que se relaciona más con las corrientes de convección del manto terrestre. Os lo dejo en este enlace. El experimento consiste en colocar un bol con aceite sobre una vela y añadimos unas gotas de agua con colorante (para verla mejor). El aceite simula el manto terrestre, la vela es el calor interno de nuestro planeta y, el agua coloreada nos permite visualizar el movimiento de la materia a causa de las corrientes de convección. Creo que podría ser muy interesante de realizar en clase, sobre todo enlazándolo con el movimiento de las placas tectónicas.
Las tres formas de transferencia del calor son: conducción, convección y radiación, mediante las que se transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos, la evaporación del agua o fluidos. La convección se suele diferenciar entre convección forzada y convección libre. La convección libre consiste en la transferencia de calor cuando el fluido suficientemente lejos del sólido está parado y la convección forzada se produce cuando el fluido se mueve lejos del sólido. Un ejemplo cotidiano, sería con el radiador de un coche que tiene un ventilador que mueve el aire y favorece el enfriamiento del agua que contiene (convección forzada); en cambio, una estufa, un brasero o un radiador de calefacción calienta el aire que le rodea pero el aire “no se mueve” (convección libre). El problema de la convección tanto libre como forzada está muy relacionado con la mecánica de fluidos, el coeficiente de película depende directamente del gradiente de temperaturas normal al sólido en las proximidades del sólido, y este a su vez del gradiente de velocidades. La convección siempre implica un movimiento del fluido, pero en convección libre éste se produce solo en las proximidades del sólido y en convección forzada en todo el fluido. En fluidos compresibles, cualquier gas la convección puede producir importantes corrientes de aire, las zonas más calientes del fluido tienen una menor densidad, con lo cual, “pesan menos” y se mueven, por eso en una habitación el aire caliente siempre está cerca del techo. En este experimento podemos observar la diferencia entre convección y conducción del calor.
Este experimento ilustra de manera efectiva los principios de convección térmica de manera visual y atractiva. Es un experimento que va a ser atractivo de realizar en el aula, ya que es necesario que el alumnado esté activo y, además, tengo la sensación de que va a querer estarlo gracias a, por ejemplo, los colorantes, colocarlos en el lugar indicado… además promueve la curiosidad, la observación activa y el entendimiento de principios científicos fundamentales.
La convección es un proceso físico clave en muchos fenómenos naturales y sistemas artificiales, desde los patrones climáticos en la atmósfera y los océanos hasta el funcionamiento de sistemas de calefacción y refrigeración.
Este vídeo es muy ilustrativo para explicar el fenómeno de la convección. Yo por mi parte solo quería comentar que, como futuro profesor de Biología y Geología, me parece la ejemplificación perfecta para explicar los grandes principios que están detrás de los fenómenos que gobiernan la geodinámica terrestre (corrientes de convección del manto), los fenómenos atmosféricos (anticiclones y borrascas) y las corrientes oceánicas. Por ello, creo que es un experimento sencillo y transversal que permitiría a los alumnos adquirir un aprendizaje significativo e interrelacionar conocimientos de distintas materias.
Como bien dice Eunate, la comprensión de la convección es esencial para desarrollar una apreciación más profunda de la física, entender fenómenos naturales, aplicar principios científicos en la tecnología y hacer conexiones prácticas con la vida cotidiana: la circulación atmosférica, la formación de nubes, para la calefacción y la refrigeración de edificios o qué es lo que ocurre cuando calentamos agua en una olla.
Esencial que el alumnado de secundaria aprenda este fenómeno de forma práctica para una correcta asimilación.
Me parece un experimento muy visual, ya que, aunque es un fenomeno que está a nuestro alrededor en la naturaleza no es tan visual como en este video por lo que ayuda a los estudiantes a entenderlo mejor. Además es una propiedad de la termodinámica que explica una gran cantidad de fenómenos de la naturaleza, como puede ser la circulación de fluidos como el aire. Esta es la razon principal por ejemplo del suelo radiante y no del “techo radiante”.
La convección es un fenómeno que ocurre en los océanos y que igual resulta algo difícil de imaginar, por lo que este experimento podría ser una forma visual de explicarlo. Sin embargo, sería también necesario comentar que en los océanos hay otro factor muy importante que influye sobre la densidad del agua aparte de la temperatura: la salinidad.
El primer vídeo está muy bien acompañado de la explicación. Este concepto lo tenemos a mano en nuestras propias casas cuando pensamos en los aparatos de aire acondicionado o los radiadores para calefacción, los primeros se colocan a la altura del techo y los segundos a la altura del suelo por el fenómeno de la convección del aire. Para calefacción, por ejemplo, es importante tener buen aislamiento en techos y tejados para que el calor no continúe escapando hacia arriba.
Realizar este experimento es importante e interesante para que los estudiantes aprendan el concepto de convección porque les proporciona una experiencia visual y tangible de cómo funciona este fenómeno térmico en fluidos. Observar el movimiento del colorante en el tubo cuadrado al calentar un extremo les permite entender la transferencia de calor por convección, destacando cómo las corrientes de fluido caliente ascienden mientras las más frías descienden. Este enfoque práctico facilita la comprensión del proceso de convección y ayuda a los estudiantes a relacionar la teoría con una aplicación concreta y visual en la vida real.