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Cortesia do Jet Propulsion Laboratory
Por vezes um único processo físico na natureza pode explicar uma variedade de acontecimentos. A convecção é um destes processos. Funciona porque os fluidos quentes, devido à sua densidade mais baixa, sobem e os frios descem. Um fluido aquecido sobe até ao topo de uma coluna, irradia o calor e de novo desce para ser novamente aquecido, tornar a subir, e assim por diante. Gases, tal como a nossa atmosfera, também são fluidos. Um bloco de fluido pode ficar preso neste ciclo. Quando isso acontece, torna-se parte de uma célula de convecção.
Podem-se formar células de convecção em qualquer escala. Podem ter apenas alguns milímetros de diâmetro e podem ser maiores do que a Terra. Todos se comportam da mesma forma. A convecção que os estudantes mais provavelmente observaram acontece nas nuvens cumulonimbo. Estas nuvens verticais em forma de torre podem ser vistas durante poucos minutos. Os topos das nuvens têm uma aparência de uma espécie de couve-flor enquanto o ar quente e húmido sobe pelo centro da nuvem. A humidade na nuvem condensa-se quando esta arreferece. O ar dá algum do seu calor para o ar frio de alta altitude e inicia a sua queda.
O ar, ao descer pelo exterior da nuvem, regressa às altitudes mais baixas e mais quentes onde pode ser apanhado na coluna de ar ascendente no centro da nuvem. Este célula semelhante a uma fonte pode-se formar em paralelo com outras células, e um conjunto delas pode-se mover entre outras células. O granizo forma-se quando gotas de água, levadas pelas fortes correntes ascendentes, congelam, caem pela nuvem e são novamente capturadas na corrente ascendente. Uma camada adicional de água congela à volta da bola de gelo de cada vez que esta faz uma viagem ascendente pela nuvem. Eventualmente, o granizo torna-se pesado demais para ser de novo levado na ascenção, por isso cai para o chão. Grandes pedras de granizo, quando cortadas, mostram múltiplas camadas, indicando o número de viagens verticais que a pedra fez quando foi apanhada na célula convectiva.
A convecção também ocorre no Sol. Uma imagem do Sol branca e brilhante em alta resolução mostra um padrão que parece algo como grãos de arroz. As células de convecção muito grandes provocam esta ranulação. O centro brilhante de cada célula é o topo de uma coluna ascendente de gás quente. O exterior escuro de cada grão é o gás frio que inicia a sua descida para ser reaquecido. Estes grânulos têm a dimensão da Terra ou mais. Eles evoluem e mudam constantemente.
Cumulonimbos e granulação são exemplo em grande escala da convecção. Felizmente, existem exemplos de convecção que podem ser utilizados numa sala de aula. Um excelente exemplo pode ser visto na sopa japonesa Miso (de grãos de soja) quente.
O interior do caldo é quente. A superfície da sopa está exposta ao ar frio. Blocos quentes do fluido sobem do interior da sopa para a superfície onde distribuem o calor. Arrefecidos, descem de novo na tijela para serem reaquecidos. Deixado assim ao ar durante muito tempo, a sopa dissipará o seu calor deste modo (e também pela condução com os lados da tijela) e atingirá a temperatura da sala.
Os grãos de soja e os restantes ingredientes mostrarão a convecção numa forma viva e real. Quando os estudantes espreitam para a sopa, verão as colunas ascendentes e descendentes do fluido. As células evoluem e mudam de posição. As tijelas de fundo escuro mostram melhor o efeito. Se a sopa é misturada, os estudantes podem observar as células a reformarem-se. Evidentemente, o material de demonstração pode ser consumido após a conclusão da experiência.
A convecção actua como foi descrito nos exemplos acima nos locais em que os efeitos da gravidade estão presentes (assim os fluidos quentes e de baixa densidade podem subir e arrefecer, e os fluidos de alta densidade podem descer). O que acontece no espaço sem peso onde para cima (subir) e para baixo (cair) não tem sentido?
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