FENOMENOLOGIA DE LA CONVECCION

INTRODUCCION

Continuación con el texto del análisis del cambio de fase, enmarcado en una serie de textos para explicar la fenomenológica del agua que es calentada en el interior de una cazuela.

Cuando el hielo se descongela, las moléculas de agua abandonan su pozo de 3 puentes de hidrogeno y pasan a un estado viscoso donde siguen transitando por el interior de los pozos de crean las otras moléculas de agua que componen el fluido. A una temperatura de 25ºC en el agua las moléculas de agua tienen una velocidad media de 450 m / s, si las moléculas no experimentaran ninguna atracción entre ellas y considerando otras simplificaciones, se desplazarían en una caminata al azar, de forma que cada segundo se habrían distanciado de media 21 metros del punto inicial, esta seria la velocidad de difusión. Resultaría sorprendente que esta magnitud de desplazamientos pueda darse en el interior de un recipiente en aparente calma. No obstante, existe una alta probabilidad de que las moléculas produzcan estados ligados en donde las moléculas oscilan torno un centro de masas que se desplaza a una velocidad inferior a la velocidad media, de forma que la velocidad de difusión es en realidad menor a los 21 metros por segundo a 25 º C. Esto esta vinculado al hecho de que el agua es un fluido viscoso.

Una forma de hallar experimentalmente la velocidad de difusión de las propias moléculas en el interior del liquido, seria introducir una gota de agua donde su oxigeno tiene una proporción diferente y conocida de isótopos. A continuación coger muestras a distintas distancias y tiempos y medir la concentración de los isótopos de oxigeno.

LA CAZUELA CON AGUA

Supóngase que se tiene agua en el interior de una cazuela, la cazuela esta en contacto con una fuente de calor como puede ser una cocina vitrocerámica. Entre la vitrocerámica y el fluido existe un gradiente térmico que conduce el calor desde la resistencia al rojo de la vitrocerámica a la superficie en contacto del agua. El agua parte de una temperatura de 10 º C.

Los átomos del fondo de la cazuela están vibrando de forma vigorosa, los átomos del agua viscosa que chocan contra estos átomos experimentan un incremento medio de su velocidad. Esto implica que para una frontera imaginaria en las cercanías del fondo de la cazuela la presión en un lado se hace mayor que la presión en otro lado, lo que conlleva a una expansión del fluido que se encuentra en el interior de esta frontera y por tanto una disminución de su densidad. Este fenómeno de expansión local no se produciría si la velocidad de transmisión del calor fue infinita, si fuera infinita todo el volumen del agua se expandiría a la vez. 

LA CONVECCION

Dado que se tiene una frontera imaginaria con agua menos densa, que conserva el calor en su seno de algún modo, por el principio de Arquímedes esta frontera trazada imaginariamente tendría que experimental una fuerza ascendente. Pero esto no podrá suceder en un medio donde la temperatura y la densidad de distribuyen uniformemente con la altura, dado que no existiría ningún lugar privilegiado a través del cual el agua fría superior penetra a través del agua caliente para depositarse en el fondo. Si este fuera el caso, el agua caliente aumentaría su volumen hasta que sus moléculas se encontraran tan dispersas como para equilibrar la presión provocada por el agua mas fría y mas compacta que se encuentra encima. Se podría tener por ejemplo, una columna de vapor soportando capas de agua sucesivamente enfriadas.

La ascensión de los volúmenes de agua mas calientes toma forma por la existencia de fluctuaciones e imperfecciones en la temperatura de las secciones horizontales del liquido, que producen que las superficies isotérmicas se abomben de forma progresiva hacia arriba, provocando a la postre la existencia de unas columnas por las cuales el fluido caliente asciende hacia la parte superior. Provocando el fenómeno de la convección. 

La presión en la irregularidad P1 es menor que en P2, por tanto el fluido se desplazara desde P2 hacia P como un globo lleno de agua con el extremo abierto, abombando sucesivamente la irregularidad de una forma cada vez más rápida. Creándose una retroalimentación positiva. Esto crea una corriente de agua con su inercia dentro del fluido que tiende a mantener la existencia de la misma columna de ascensión en el flujo convectivo, que tendera a mantenerse incluso si se desplaza en la horizontal y que podría dividirse, fusionarse con otras o desaparecer dadas las circunstancias.

Nuevas columnas convectivas aparecerían cuando la distorsión en la superficie fuera suficientemente vigorosa como para crecer contrarrestando el efecto de vaciado que sucede en el área.

Analizando cada una de las secciones horizontales se obtiene un gran circuito convectivo de agua caliente que asciende, y agua densa y fría que desciende. 

Curiosamente, si existiera un líquido que a mayor temperatura, su volumen descendiera, entonces no existirían corrientes convectivas cuando el líquido fuera calentado desde abajo. Sí existirían si el liquido fuera calentado desde arriba, en una convección inversa. En todo caso en aportaciones laterales de calor, la convección existiría con las variaciones de densidad.