I moti convettivi, spiegati passo passo: la fisica illustrata

Tutti la materia che ci circonda è fatta di atomi; In un oggetto, la massa, che apprezziamo attraverso il peso o la forza che dobbiamo esercitare per vincere la sua inerzia, è la somma delle masse di ogni singolo atomo di cui è fatto. Ma gli oggetti hanno anche un’altra proprietà fisica: il volume. Mentre la massa di un corpo non cambia mai e, a differenza del peso, neanche qualora ci trasferissimo sulla Luna, il volume per contro è legato alle condizioni di pressione e temperatura alle quali ci troviamo. Per questo motivo il rapporto tra massa e volume è un parametro fisico molto importante al quale si da il nome di densità.

Il Rapporto massa/volume, ovvero la densità:

La massa di 1 litro di materiali diversi - da wikipedia, modificato

Quando si riscalda un corpo

Riscaldando un fluido, le sue molecole

si agitano!

Generalmente il volume aumenta con la temperatura (fa eccezione il ghiaccio). Questo fenomeno è dovuto al fatto che somministrando calore a un corpo i suoi atomi si muoveranno più velocemente e, di conseguenza, tenderanno ad aumentare la loro distanza e ad occupare un volume maggiore. Per fare un esempio, si può immaginare che un gruppo di persone radunate in un angolo di una sala necessitino di uno spazio maggiore qualora decidessero di mettersi a ballare. E’ importante osservare che, come l’attività di  ballare non aumenti o diminuisca il numero di persone in sala, così resta invariata la quantità di materia, ovvero la massa, durante il riscaldamento di un corpo: nessun atomo viene perso o acquistato mentre il volume aumenta  per agitazione termica. Pertanto la densità diminuisce con il riscaldamento perché aumenta il volume mentre la massa resta costante.

Secondo il principio di Archimede minore o maggiore densità significa galleggiare o affondare. Infatti lo scienziato siracusano ha dimostrato che un corpo galleggia se la sua densità è inferiore a quella del liquido nel quale è immerso, viceversa affonderà impietosamente.

Come sappiamo la densità è il rapporto tra massa (che possiamo misurare in grammi e volume che, in questo caso, misuriamo in cm3). Pertanto il legno ha una densità di 0,6 g/cm³ contro 1g/cm³ dell’acqua, ed ecco perché il legno galleggia. Ma attenzione, il ferro 7,96 g/cm³) galleggia se immerso in un bagno di mercurio (13,6 g/cm³).

Per comprendere la convezione occorre aver ben chiari alcuni fenomeni fisici:

1. Se riscaldiamo un fluido, le molecole, aumentando la loro agitazione termica, cercheranno di occupare uno spazio maggiore: la densità diminuirà (meno molecole nello stesso volume).
   Riscaldameno = minore densità
2. Se raffreddiamo un fluido, le molecole si avvicineranno l'una all'altra: la densità aumenterà.
   Raffreddamento = maggiore densità
3. Per il principio di Archimede, posti due fluidi in un contenitore, quello meno denso galleggerà sull’altro.
   Il meno denso galleggia, il più denso affonda.

I fenomeni 1 e 2 valgono anche per i solidi, ma solo nei fluidi (liquidi e gas) può avvenire la convezione.

Quando scaldiamo l’acqua, la superficie scambia calore con l’atmosfera e si raffredda mentre la fiamma continua a scaldare gli strati più profondi. Si instaura una differenza di temperatura tra la parte alta e bassa del contenuto della pentola.

Pertanto, riscaldata dal basso, l’acqua più calda e meno densa, per il principio di Archimede galleggia su quella più fredda e si muove verso l'alto per perdere calore a contatto con la superficie, mentre, al contrario, l’acqua più fredda e densa in superficie affonda verso la zona più calda vicina alla fiamma per riscaldarsi.

Un semplice esperimento può rendere manifesta la natura dei moti convettivi, dovuti alla differente densità tra liquidi freddi e caldi e alla forza di gravità.

In un contenitore di acqua calda vengono aggiunte alcune gocce di inchiostro a temperatura ambiente.
L’inchiostro più freddo, e quindi  più denso  dell’acqua calda, viene attirato dalla forza di gravità e va verso il fondo del contenitore ma nel contempo si scalda: colonne di inchiostro, simile a sbuffi di fumo, si alzano verso la superficie rendendo palese  che  l’inchiostro raggiunge presto la stessa temperatura, e dunque la stessa densità dell’acqua, mescolandovisi perfettamente.

Quest’ altro esperimento è speculare al precedente: in un contenitore di acqua fredda viene immerso un contenitore più piccolo contenente acqua calda colorata (fig. A). L’acqua calda meno densa, e quindi più leggera a parità di volume , per il principio di Archimede galleggerà sull’acqua fredda. Al contrario l’acqua fredda, più densa,  occuperà il posto dell’acqua calda all’interno del contenitore più piccolo. Ne consegue che l’acqua calda colorata si vedrà salire, con un pennacchio, verso l’alto, disponendosi  negli  strati più  superficiali del liquido (fig. B). Dopo poco tempo gli strati più superficiali cominciano a raffreddarsi, ovvero a porsi in equilibrio termico con l’ambiente circostante (principio zero della termodinamica):  si vedranno pennacchi  colorati freddi scenderanno verso il basso dove l’acqua è stata scaldata dal contenuto del  contenitore piccolo (Fig. C).

Esperimenti da Youtube

I moti convettivi su raiscienze

Moti convettivi nel mantello
Fonte NASA

Moti convettivi nell'atmosfera
Fonte NASA

Moti convettivi nel Sole e nelle stelle
fonte wikipedia

Correnti convettive negli oceani
Fonte NASA

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