การพาความร้อนตามธรรมชาติคือการไหลที่เกิดจากการที่บางส่วนของของเหลวมีความหนาแน่นมากกว่าส่วนอื่นๆ ในกรณีส่วนใหญ่จะนำไปสู่การไหลเวียนตามธรรมชาติ นั่น คือความสามารถของของเหลวในระบบที่จะไหลเวียนอย่างต่อเนื่องภายใต้แรงโน้มถ่วง พร้อมกับการถ่ายเทพลังงานความร้อน

แรงขับเคลื่อนหลักของการพาความร้อนตามธรรมชาติคือแรงโน้มถ่วง ในคอลัมน์ของของเหลว ความดันจะเพิ่มขึ้นตามความลึกเนื่องจากน้ำหนักของของเหลวที่อยู่ด้านบน ความดันที่ด้านล่างของวัตถุที่จมอยู่จึงมากกว่าความดันที่ด้านบน ส่งผลให้เกิด แรง ลอยตัว สุทธิขึ้นด้านบน เท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ วัตถุที่มีความหนาแน่นสูงกว่าของเหลวที่ถูกแทนที่ก็จะจมลง ตัวอย่างเช่น บริเวณที่มีอากาศอุ่นกว่าและมีความหนาแน่นต่ำกว่าจะลอยขึ้น ในขณะที่บริเวณที่มีอากาศเย็นกว่าและมีความหนาแน่นสูงกว่าจะจมลง นี่จึงก่อให้เกิดการไหลเวียน: การพาความร้อน

แรงโน้มถ่วงเป็นตัวขับเคลื่อนการพาความร้อนตามธรรมชาติ หากไม่มีแรงโน้มถ่วง การพาความร้อนจะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นจึงไม่มีการพาความร้อนในสภาพแวดล้อมที่ตกอย่างอิสระ ( เฉื่อย ) เช่น สถานีอวกาศนานาชาติที่โคจรอยู่รอบโลก การพาความร้อนตามธรรมชาติสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีบริเวณที่ร้อนและเย็นของทั้งอากาศหรือน้ำ เนื่องจากทั้งน้ำและอากาศจะมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อได้รับความร้อน แต่ตัวอย่างเช่น ในมหาสมุทรของโลก การพาความร้อนก็เกิดขึ้นเช่นกันเนื่องจากน้ำเค็มหนักกว่าน้ำจืด ดังนั้นชั้นน้ำเค็มที่อยู่บนชั้นน้ำจืดจึงทำให้เกิดการพาความร้อนได้

การพาความร้อนตามธรรมชาติได้รับความสนใจอย่างมากจากนักวิจัยเนื่องจากพบได้ทั้งในธรรมชาติและในงานวิศวกรรม ในธรรมชาติ เซลล์การพาความร้อนที่เกิดจากการยกตัวของอากาศเหนือพื้นดินหรือน้ำที่ได้รับความร้อนจากแสงแดดเป็นคุณลักษณะสำคัญของระบบสภาพอากาศทั้งหมด การพาความร้อนยังพบเห็นได้ในกลุ่มอากาศร้อนที่ลอยขึ้นจากไฟ การเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลกกระแสน้ำในมหาสมุทร ( การไหลเวียนของอุณหภูมิและความเค็ม) และการก่อตัวของลมทะเล (ซึ่งการพาความร้อนขึ้นด้านบนยังถูกปรับเปลี่ยนโดยแรงโคริโอลิสด้วย ) ในงานวิศวกรรม การพาความร้อนมักปรากฏให้เห็นในการก่อตัวของโครงสร้างขนาดเล็กในระหว่างการเย็นตัวของโลหะหลอมเหลว และการไหลของของเหลวรอบครีบระบายความร้อนที่มีปลอกหุ้ม และบ่อพลังงานแสงอาทิตย์ การประยุกต์ใช้การพาความร้อนตามธรรมชาติในอุตสาหกรรมที่พบได้ทั่วไปคือการระบายความร้อนด้วยอากาศโดยไม่ต้องใช้พัดลม ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ตั้งแต่ขนาดเล็ก (ชิปคอมพิวเตอร์) ไปจนถึงอุปกรณ์กระบวนการขนาดใหญ่

การพาความร้อนตามธรรมชาติจะมีโอกาสเกิดขึ้นได้มากขึ้นและเร็วขึ้นหากความหนาแน่นของของเหลวทั้งสองแตกต่างกันมากขึ้น ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่ขับเคลื่อนการพาความร้อนมีมากขึ้น หรือระยะทางที่ของเหลวพาความร้อนเคลื่อนที่ผ่านมีมากขึ้น ในทางกลับกัน การพาความร้อนตามธรรมชาติจะมีโอกาสเกิดขึ้นได้น้อยลงและช้าลงหากมีการแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว (ซึ่งจะทำให้ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการพาความร้อนแพร่กระจายออกไป) หรือของเหลวมีความหนืด (เหนียว) มากขึ้น

จุดเริ่มต้นของการพาความร้อนตามธรรมชาติสามารถกำหนดได้จากเลขเรย์ลีย์ ( Ra )

ความแตกต่างของแรงลอยตัวภายในของเหลวอาจเกิดขึ้นได้จากสาเหตุอื่นนอกเหนือจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งในกรณีดังกล่าว การเคลื่อนที่ของของเหลวเรียกว่าการพาความร้อนเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (ดูด้านล่าง) อย่างไรก็ตาม การพาความร้อนเนื่องจากแรงลอยตัวทุกประเภท รวมถึงการพาความร้อนตามธรรมชาติ ไม่เกิดขึ้นใน สภาพแวดล้อมที่มีแรงโน้ม ถ่วง ต่ำ ทุกประเภทต้องอาศัยสภาพแวดล้อมที่มีแรงโน้มถ่วง ( ความเร่งที่เหมาะสม )

ความแตกต่างของความหนาแน่นในของเหลวเป็นกลไกขับเคลื่อนหลัก หากความแตกต่างของความหนาแน่นเกิดจากความร้อน แรงนี้เรียกว่า "หัวความร้อน" หรือ "หัวขับเคลื่อนความร้อน" ระบบของเหลวที่ออกแบบมาสำหรับการไหลเวียนตามธรรมชาติจะมีแหล่งความร้อนและตัวระบายความร้อนโดยแต่ละส่วนจะสัมผัสกับของเหลวบางส่วนในระบบ แต่ไม่ใช่ทั้งหมด แหล่งความร้อนจะอยู่ต่ำกว่าตัวระบายความร้อน

ของเหลวส่วนใหญ่จะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ทำให้มีความหนาแน่น น้อยลง และจะหดตัวเมื่อเย็นลง ทำให้มีความหนาแน่นมากขึ้น ที่แหล่งความร้อนของระบบการไหลเวียนตามธรรมชาติ ของเหลวที่ได้รับความร้อนจะเบากว่าของเหลวที่อยู่รอบข้าง จึงลอยขึ้น ที่แหล่งระบายความร้อน ของเหลวที่อยู่ใกล้เคียงจะมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อเย็นลง และถูกดึงลงโดยแรงโน้มถ่วง ผลกระทบเหล่านี้รวมกันทำให้เกิดการไหลของของเหลวจากแหล่งความร้อนไปยังแหล่งระบายความร้อนและกลับมาอีกครั้ง

การพาความร้อนเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นการพาความร้อนตามธรรมชาติประเภทหนึ่งที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของแรงลอยตัวอันเนื่องมาจากคุณสมบัติของวัสดุอื่นที่ไม่ใช่อุณหภูมิ โดยทั่วไปแล้วเกิดจากองค์ประกอบของของเหลวที่เปลี่ยนแปลงไป หากคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงไปนั้นเป็นการไล่ระดับความเข้มข้น จะเรียกว่าการพาความร้อนเนื่องจากสารละลาย [ ^{5 ] ตัวอย่าง}เช่น การพาความร้อนเนื่องจากแรงโน้มถ่วงสามารถเห็นได้ในการแพร่กระจายของเกลือแห้งลงไปในดินเปียกเนื่องจากแรงลอยตัวของน้ำจืดในน้ำเค็ม^{[ 6 ]}

ความเค็มที่แปรผันในน้ำและปริมาณน้ำที่แปรผันในมวลอากาศเป็นสาเหตุสำคัญของการพาความร้อนในมหาสมุทรและชั้นบรรยากาศที่ไม่เกี่ยวข้องกับความร้อน หรือเกี่ยวข้องกับปัจจัยความหนาแน่นเชิงองค์ประกอบเพิ่มเติมอื่นๆ นอกเหนือจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นจากการขยายตัวทางความร้อน (ดูการไหลเวียนของเทอร์โมฮาไลน์ ) ในทำนองเดียวกัน องค์ประกอบที่แปรผันภายในโลกซึ่งยังไม่ถึงสภาวะเสถียรสูงสุดและพลังงานต่ำสุด (กล่าวคือ ส่วนที่หนาแน่นที่สุดอยู่ลึกที่สุด) ยังคงก่อให้เกิดการพาความร้อนของหินเหลวและโลหะหลอมเหลวบางส่วนภายในโลก (ดูด้านล่าง)

การพาความร้อนเนื่องจากแรงโน้มถ่วง เช่นเดียวกับการพาความร้อนตามธรรมชาติ ก็ต้องอาศัย สภาพแวดล้อม ที่มีแรงโน้มถ่วงจึงจะเกิดขึ้นได้

เชื่อกันว่าการพาความร้อนของน้ำแข็งบนพลูโต เกิดขึ้นในส่วนผสมอ่อนๆ ของ น้ำแข็งไนโตรเจนและ น้ำแข็ง คาร์บอนมอนอกไซด์นอกจากนี้ยังมีการเสนอให้เกิดขึ้นกับยูโรปา [ ^{7 ] และ}วัตถุอื่นๆ ในระบบสุริยะชั้นนอก^{[ 7 ]}

การพาความร้อนแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกกระทำต่อของเหลวเฟอร์โรฟลูอิด ที่มี ค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กแตกต่างกันในกรณีที่มีการไล่ระดับอุณหภูมิ จะส่งผลให้เกิดแรงแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งนำไปสู่การเคลื่อนที่ของของเหลว เฟอร์โรฟลูอิดคือของเหลวที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างรุนแรงเมื่อมีสนามแม่เหล็กอยู่

ใน สภาพแวดล้อม ไร้แรงโน้มถ่วงจะไม่มีแรงลอยตัว และดังนั้นจึงไม่มีการพาความร้อนเกิดขึ้นได้ เปลวไฟในหลายกรณีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วงจึงดับลงในก๊าซเสียของตัวเอง การขยายตัวทางความร้อนและปฏิกิริยาเคมีที่ส่งผลให้เกิดการขยายตัวและการหดตัวของก๊าซ ช่วยให้เกิดการระบายอากาศของเปลวไฟ เนื่องจากก๊าซเสียถูกแทนที่ด้วยก๊าซเย็น สดใหม่ และอุดมด้วยออกซิเจน และไอน้ำจะเคลื่อนตัวเข้ามาเพื่อเติมเต็มบริเวณที่มีความดันต่ำที่เกิดขึ้นเมื่อน้ำเสียจากเปลวไฟควบแน่น

การพาความร้อนในของเหลวสามารถสาธิตได้โดยการวางแหล่งความร้อน (เช่นตะเกียงบุนเซน ) ไว้ด้านข้างของภาชนะบรรจุของเหลว การเติมสีลงในน้ำ (เช่น สีผสมอาหาร) จะช่วยให้มองเห็นการไหลได้^{[ 8 ] [ 9 ]}

การทดลองทั่วไปอีกอย่างหนึ่งเพื่อสาธิตการพาความร้อนในของเหลวเกี่ยวข้องกับการจุ่มภาชนะเปิดที่มีของเหลวร้อนและเย็นที่ย้อมสีลงในภาชนะขนาดใหญ่ที่มีของเหลวชนิดเดียวกันแต่ไม่ย้อมสีที่อุณหภูมิปานกลาง (ตัวอย่างเช่น ขวดน้ำประปาร้อนที่ย้อมสีแดง ขวดน้ำที่แช่เย็นในตู้เย็นที่ย้อมสีน้ำเงิน จุ่มลงในถังน้ำใสที่อุณหภูมิห้อง) ^{[ 10 ]}

วิธีที่สามคือการใช้ขวดสองใบที่เหมือนกัน ใบหนึ่งบรรจุน้ำร้อนที่ย้อมสีหนึ่ง และอีกใบบรรจุน้ำเย็นที่มีสีอื่น จากนั้นปิดผนึกขวดใบหนึ่งชั่วคราว (เช่น ด้วยกระดาษแข็ง) คว่ำขวดลงและวางไว้บนอีกใบหนึ่ง เมื่อนำกระดาษแข็งออก หากวางขวดที่บรรจุของเหลวที่อุ่นกว่าไว้ด้านบน จะไม่มีกระแสการพาความร้อนเกิดขึ้น หากวางขวดที่บรรจุของเหลวที่เย็นกว่าไว้ด้านบน กระแสการพาความร้อนจะเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ^{[ 11 ]}

การพาความร้อนในก๊าซสามารถสาธิตได้โดยใช้เทียนไขในพื้นที่ปิดที่มีช่องทางเข้าและออก ความร้อนจากเทียนไขจะทำให้เกิดกระแสการพาความร้อนที่รุนแรง ซึ่งสามารถสาธิตได้ด้วยตัวบ่งชี้การไหล เช่น ควันจากเทียนไขอีกเล่มที่ปล่อยออกมาใกล้บริเวณช่องทางเข้าและออกตามลำดับ^{[ 12 ]}

เซลล์การพาความร้อนหรือที่รู้จักกันในชื่อเซลล์เบนาร์ดเป็นรูปแบบการไหลของของเหลวที่เป็นลักษณะเฉพาะในระบบการพาความร้อนหลายระบบ โดยทั่วไปแล้ว ของเหลวที่ลอยขึ้นจะสูญเสียความร้อนเนื่องจากไปกระทบกับพื้นผิวที่เย็นกว่า ในของเหลว จะเกิดขึ้นเนื่องจากมีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับของเหลวที่เย็นกว่าโดยตรง ในตัวอย่างของชั้นบรรยากาศของโลก จะเกิดขึ้นเนื่องจากชั้นบรรยากาศแผ่ความร้อนออกมา เนื่องจากการสูญเสียความร้อนนี้ ของเหลวจะมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลวที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งยังคงลอยขึ้น เนื่องจากไม่สามารถไหลลงผ่านของเหลวที่ลอยขึ้นได้ จึงเคลื่อนไปด้านใดด้านหนึ่ง เมื่อถึงระยะทางหนึ่ง แรงดึงลงของมันจะเอาชนะแรงยกที่อยู่ด้านล่าง และของเหลวจะเริ่มไหลลง ขณะที่ไหลลง มันจะอุ่นขึ้นอีกครั้งและวงจรจะวนซ้ำ นอกจากนี้ เซลล์การพาความร้อนยังสามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากความแปรผันของความหนาแน่นอันเป็นผลมาจากความแตกต่างในองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์^{[ 13 ]}

รังสีจากดวงอาทิตย์ส่งผลกระทบต่อมหาสมุทร: น้ำอุ่นจากเส้นศูนย์สูตรมีแนวโน้มที่จะไหลเวียนไปยังขั้วโลกในขณะที่น้ำเย็นจากขั้วโลกจะไหลไปยังเส้นศูนย์สูตร กระแสน้ำผิวน้ำถูกกำหนดโดยสภาพลมผิวน้ำเป็นหลักลมค้าพัดไปทางทิศตะวันตกในเขตร้อน^{[ 25 ]}และลมตะวันตกพัดไปทางทิศตะวันออกในละติจูดกลาง^{[ 26 ]}รูปแบบลมนี้สร้างแรงกดดันต่อพื้นผิวมหาสมุทรกึ่งเขตร้อนด้วยการหมุนวน เชิงลบ ในซีกโลกเหนือ [ ^{27 ]}และตรงกันข้ามในซีกโลกใต้การขนส่งแบบ Sverdrupที่เกิดขึ้น จึงมุ่ง ^ไปทางเส้นศูนย์สูตร^{[ 28 ]}เนื่องจากการอนุรักษ์ศักยภาพการหมุนวนที่เกิดจากลมที่เคลื่อนตัวไปทางขั้วโลกที่ขอบด้านตะวันตกของสันเขากึ่งเขตร้อนและการหมุนวนสัมพัทธ์ที่เพิ่มขึ้นของน้ำที่เคลื่อนตัวไปทางขั้วโลก การขนส่งจึงสมดุลด้วยกระแสน้ำแคบๆ ที่เร่งความเร็วไปทางขั้วโลก ซึ่งไหลไปตามขอบด้านตะวันตกของแอ่งมหาสมุทร โดยมีอิทธิพลมากกว่าผลกระทบของแรงเสียดทานกับกระแสน้ำเย็นที่ขอบด้านตะวันตกซึ่งมีต้นกำเนิดมาจากละติจูดสูง^{[ 29 ]}กระบวนการโดยรวมที่เรียกว่าการเสริมความแข็งแกร่งทางตะวันตก ทำให้กระแสน้ำที่ขอบด้านตะวันตกของแอ่งมหาสมุทรมีความแรงกว่ากระแสน้ำที่ขอบด้านตะวันออก^{[ 30 ]}

ขณะที่เคลื่อนตัวไปทางขั้วโลก น้ำอุ่นที่ถูกพัดพาโดยกระแสน้ำอุ่นที่แรงจะเกิดการเย็นตัวจากการระเหย การเย็นตัวนี้เกิดจากแรงลม: ลมที่พัดผ่านน้ำจะทำให้น้ำเย็นลงและยังทำให้เกิดการระเหยทำให้เกิดน้ำเค็มมากขึ้น ในกระบวนการนี้ น้ำจะเค็มขึ้น มีความหนาแน่นมากขึ้น และอุณหภูมิลดลง เมื่อน้ำแข็งทะเลก่อตัวขึ้น เกลือจะถูกแยกออกจากน้ำแข็ง ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการแยกน้ำเค็ม^{[ 31 ]}กระบวนการทั้งสองนี้ทำให้เกิดน้ำที่มีความหนาแน่นและเย็นลง น้ำในมหาสมุทรแอตแลนติก เหนือ มีความหนาแน่นมากจนเริ่มจมลงไปในน้ำที่มีความเค็มน้อยกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่า ( การพาความร้อนในมหาสมุทรเปิด นี้ ไม่ต่างจากโคมไฟลาวา ) กระแสน้ำที่ไหลลงของน้ำหนัก เย็น และหนาแน่นนี้กลายเป็นส่วนหนึ่งของน้ำลึกแอตแลนติกเหนือซึ่งเป็นกระแสน้ำที่ไหลไปทางใต้^{[ 32 ]}

การพาความร้อนของเนื้อโลกคือการเคลื่อนที่อย่างช้าๆ ของเนื้อโลกที่เป็นหินซึ่งเกิดจากกระแสการพาความร้อนที่นำความร้อนจากภายในโลกขึ้นสู่พื้นผิว^{[ 33 ]}เป็นหนึ่งใน 3 แรงขับเคลื่อนที่ทำให้แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่ไปรอบๆ พื้นผิวโลก^{[ 34 ]}

พื้นผิวโลกแบ่งออกเป็น แผ่น เปลือกโลก จำนวนมาก ซึ่งกำลังถูกสร้างขึ้นและยุบตัวลงอย่างต่อเนื่องที่ขอบแผ่นเปลือกโลกตรงข้าม การสร้าง ( การสะสมตัว ) เกิดขึ้นเมื่อเนื้อโลกถูกเพิ่มเข้าไปที่ขอบที่กำลังเติบโตของแผ่นเปลือกโลก วัสดุที่เพิ่มเข้ามานี้จะเย็นตัวลงโดยการนำความร้อนและการพาความร้อน ที่ขอบที่ยุบตัวลงของแผ่นเปลือกโลก วัสดุจะหดตัวเนื่องจากความร้อนจนมีความหนาแน่นมากขึ้น และจมลงด้วยน้ำหนักของตัวเองในกระบวนการมุดตัวลงที่ร่องลึกในมหาสมุทร วัสดุที่มุดตัวลงนี้จะจมลงไปที่ระดับความลึกหนึ่งภายในโลก ซึ่งจะไม่สามารถจมลงไปได้อีก เปลือกโลกมหาสมุทรที่มุดตัวลงนี้จะกระตุ้นให้เกิดภูเขาไฟ

การพาความร้อนภายในเนื้อโลกเป็นแรงขับเคลื่อนสำคัญของการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกการพาความร้อนในเนื้อโลกเป็นผลมาจากความแตกต่างของอุณหภูมิ: เนื้อโลกส่วนล่างร้อนกว่าเนื้อโลกส่วนบนดังนั้นจึงมีความหนาแน่นน้อยกว่า สิ่งนี้ก่อให้เกิดความไม่เสถียรหลักสองประเภท ในประเภทแรก พลาวม์ (กลุ่มหินหลอมเหลว) พุ่งขึ้นจากเนื้อโลกส่วนล่าง และบริเวณที่ไม่เสถียรของธรณี ภาคที่สอดคล้องกัน จะไหลกลับลงไปในเนื้อโลก ในประเภทที่สอง แผ่นเปลือกโลกมหาสมุทรที่มุดตัวลง (ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบเป็นชั้นขอบเขตความร้อนด้านบนของเนื้อโลก) จะพุ่งกลับลงไปในเนื้อโลกและเคลื่อนตัวลงไปทางขอบเขตระหว่างแกนโลกและเนื้อโลกการพาความร้อนในเนื้อโลกเกิดขึ้นในอัตราหลายเซนติเมตรต่อปี และใช้เวลาหลายร้อยล้านปีในการครบวงจรของการพาความร้อน

การวัดฟลักซ์นิวตริโนจากแกนโลก (ดูkamLAND ) แสดงให้เห็นว่าแหล่งกำเนิดความร้อนประมาณสองในสามในแกนโลกชั้นในมาจากการสลายตัวของกัมมันตรังสีของ^40Kยูเรเนียมและทอเรียม ซึ่งทำให้การเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลกบนโลกดำเนินต่อไปได้นานกว่าที่ควรจะเป็น หากเกิดจากความร้อนที่เหลือจากการก่อตัวของโลก หรือความร้อนที่เกิดจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงอันเป็นผลมาจากการจัดเรียงตัวทางกายภาพของส่วนที่มีความหนาแน่นสูงกว่าภายในโลกเข้าสู่ใจกลางของดาวเคราะห์ (กล่าวคือ การตกและการทรุดตัวที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง)

ปรากฏการณ์ การไหลเวียนของอากาศ ตามปล่องไฟหรือ ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์ปล่องค วัน คือการเคลื่อนที่ของอากาศเข้าและออกจากอาคาร ปล่องไฟ ท่อระบายก๊าซ หรือภาชนะอื่นๆ เนื่องมาจากแรงลอยตัว แรงลอยตัวเกิดขึ้นจากความแตกต่างของความหนาแน่นของอากาศภายในและภายนอกอาคาร ซึ่งเป็นผลมาจากความแตกต่างของอุณหภูมิและความชื้น ยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิและความสูงของโครงสร้างมากเท่าใด แรงลอยตัวก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และทำให้เกิดปรากฏการณ์การไหลเวียนของอากาศตามปล่องไฟมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้ช่วยกระตุ้นการระบายอากาศและการแทรกซึมตามธรรมชาติหอระบายความร้อน บางชนิด ทำงานโดยใช้หลักการนี้ ในทำนองเดียวกันหอระบายความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ก็เป็นอุปกรณ์ที่เสนอให้ใช้ในการผลิตไฟฟ้าโดยอาศัยปรากฏการณ์การไหลเวียนของอากาศตามปล่องไฟ

เขตการพาความร้อนของดาวฤกษ์คือช่วงรัศมีที่พลังงานถูกส่งออกไปจากบริเวณแกนกลางโดยส่วนใหญ่ผ่านการพาความร้อนมากกว่าการแผ่รังสีซึ่งเกิดขึ้นที่รัศมีที่มีความทึบแสง เพียงพอ ที่การพาความร้อนจะมีประสิทธิภาพมากกว่าการแผ่รังสีในการขนส่งพลังงาน^{[ 35 ]}

แกรนูลบนชั้นโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์คือส่วนยอดที่มองเห็นได้ของเซลล์การพาความร้อนในชั้นโฟโตสเฟียร์ ซึ่งเกิดจากการพาความร้อนของพลาสมาในชั้นโฟโตสเฟียร์ ส่วนที่ลอยขึ้นของแกรนูลจะอยู่ตรงกลางซึ่งมีพลาสมาร้อนกว่า ส่วนขอบด้านนอกของแกรนูลจะมืดกว่าเนื่องจากพลาสมาที่เย็นกว่าและไหลลงมา แกรนูลทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1,000 กิโลเมตร และแต่ละแกรนูลจะคงอยู่ประมาณ 8 ถึง 20 นาทีก่อนที่จะสลายไป ใต้ชั้นโฟโตสเฟียร์เป็นชั้นของ "ซูเปอร์แกรนูล" ที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก มีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 30,000 กิโลเมตร และมีอายุยืนยาวถึง 24 ชั่วโมง

น้ำเป็นของเหลวที่ไม่เป็นไปตามการประมาณของ Boussinesq ^{[ 36 ]}เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำแปรผันแบบไม่เป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิ ซึ่งทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนไม่คงที่ใกล้กับอุณหภูมิเยือกแข็ง^{[ 37 ] [ 38 ]}ความหนาแน่นของน้ำจะสูงสุดที่ 4  °C และลดลงเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ปรากฏการณ์นี้ได้รับการตรวจสอบโดยการทดลองและวิธีการเชิงตัวเลข^{[ 36 ]}น้ำอยู่ในสภาวะหยุดนิ่งที่ 10  °C ภายในช่องสี่เหลี่ยมจัตุรัส โดยน้ำจะถูกให้ความร้อนแตกต่างกันระหว่างผนังแนวตั้งสองด้าน โดยผนังด้านซ้ายและด้านขวาถูกรักษาไว้ที่ 10  °C และ 0  °C ตามลำดับ ความผิดปกติของความหนาแน่นปรากฏให้เห็นในรูปแบบการไหล^{[ 36 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}เมื่อน้ำเย็นลงที่ผนังด้านขวา ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะเร่งการไหลลงด้านล่าง เมื่อกระแสน้ำพัฒนาขึ้นและน้ำเย็นลงเรื่อยๆ ความหนาแน่นที่ลดลงจะทำให้เกิดกระแสน้ำหมุนเวียนที่มุมล่างขวาของโพรง

อีกกรณีหนึ่งของปรากฏการณ์นี้คือเหตุการณ์การเย็นตัวยิ่งยวดซึ่งน้ำจะเย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิเยือกแข็งแต่ไม่เริ่มแข็งตัวทันที^{[ 38 ] [ 42 ]}ภายใต้เงื่อนไขเดียวกันกับก่อนหน้านี้ การไหลจะเกิดขึ้น หลังจากนั้น อุณหภูมิของผนังด้านขวาจะลดลงเหลือ −10  °C ซึ่งทำให้น้ำที่ผนังนั้นเย็นตัวยิ่งยวด เกิดการไหลทวนเข็มนาฬิกา และในตอนแรกจะเอาชนะกระแสน้ำอุ่นได้^{[ 36 ]}กลุ่มควันดังกล่าวเกิดจากความล่าช้าในการก่อตัวของน้ำแข็ง^{[ 36 ] [ 38 ] [ 42 ]}เมื่อน้ำแข็งเริ่มก่อตัว การไหลจะกลับไปสู่รูปแบบที่คล้ายกับก่อนหน้านี้ และการแข็งตัวจะค่อยๆ แพร่กระจายไปจนกระทั่งการไหลเกิดขึ้นอีกครั้ง^{[ 36 ]}

ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์การไหลเวียนตามธรรมชาติสามารถเป็นเกณฑ์การออกแบบได้ โดยจะทำได้โดยการลดความปั่นป่วนและแรงเสียดทานในการไหลของของเหลว (นั่นคือ ลดการสูญเสียหัว ให้น้อยที่สุด ) และโดยการจัดหาวิธีการกำจัดปั๊มที่ใช้งานไม่ได้ออกจากเส้นทางของของเหลว นอกจากนี้ เครื่องปฏิกรณ์ (ในฐานะแหล่งความร้อน) จะต้องอยู่ต่ำกว่าเครื่องกำเนิดไอน้ำหรือกังหัน (ตัวระบายความร้อน) ด้วยวิธีนี้ การไหลเวียนตามธรรมชาติจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าของเหลวจะยังคงไหลต่อไปตราบใดที่เครื่องปฏิกรณ์มีอุณหภูมิสูงกว่าตัวระบายความร้อน แม้ว่าจะไม่สามารถจ่ายพลังงานให้กับปั๊มได้ก็ตาม ตัวอย่างที่น่าสนใจคือเครื่องปฏิกรณ์S5G ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} และS8G ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}ของกองทัพเรือสหรัฐฯซึ่งได้รับการออกแบบให้ทำงานที่กำลังไฟฟ้าส่วนหนึ่งภายใต้การไหลเวียนตามธรรมชาติ ทำให้โรงไฟฟ้าเงียบลง เครื่องปฏิกรณ์S6Gไม่สามารถทำงานที่กำลังไฟฟ้าภายใต้การไหลเวียนตามธรรมชาติได้ แต่สามารถใช้เพื่อรักษาการระบายความร้อนฉุกเฉินในขณะที่ปิดเครื่องได้

โดยธรรมชาติของการไหลเวียนตามธรรมชาติ ของเหลวมักจะไม่เคลื่อนที่เร็วมากนัก แต่ก็ไม่ใช่เรื่องที่เลวร้ายเสมอไป เพราะอัตราการไหลสูงไม่ใช่สิ่งจำเป็นต่อการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ออกแบบมาในปัจจุบัน การไหลย้อนกลับแทบเป็นไปไม่ได้เลย เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ทุกเครื่อง แม้แต่เครื่องที่ออกแบบมาเพื่อใช้การไหลเวียนตามธรรมชาติเป็นวิธีการหลักในการหมุนเวียนของเหลว ก็มีปั๊มที่สามารถหมุนเวียนของเหลวได้ในกรณีที่การไหลเวียนตามธรรมชาติไม่เพียงพอ

การเริ่มต้นของการพาความร้อนตามธรรมชาติถูกกำหนดโดยเลขเรย์ลีย์ ( Ra ) เลขไร้หน่วย นี้ กำหนดโดยสูตร

${\displaystyle {\textbf {Ra}}={\frac {\Delta \rho gL^{3}}{D\mu }}}$

ที่ไหน

• ${\displaystyle \Delta \rho }$คือความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างวัสดุสองก้อนที่กำลังผสมกัน
• ${\displaystyle g}$คือความเร่งโน้มถ่วง เฉพาะที่
• ${\displaystyle L}$คือขนาดความยาวลักษณะเฉพาะของการพาความร้อน เช่น ความลึกของหม้อต้มน้ำ เป็นต้น
• ${\displaystyle D}$คือค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของลักษณะเฉพาะที่ก่อให้เกิดการพาความร้อน และ
• ${\displaystyle \mu }$คือความหนืดแบบไดนามิก

การพาความร้อนตามธรรมชาติจะมีโอกาสเกิดขึ้นได้มากขึ้นและ/หรือเร็วขึ้นหากความหนาแน่นของของเหลวทั้งสองแตกต่างกันมากขึ้น ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่ขับเคลื่อนการพาความร้อนมีมากขึ้น และ/หรือระยะทางที่ของเหลวเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เกิดการพาความร้อนมีมากขึ้น ในทางกลับกัน การพาความร้อนจะมีโอกาสเกิดขึ้นน้อยลงและ/หรือช้าลงหากมีการแพร่กระจายอย่างรวดเร็ว (ซึ่งจะทำให้ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ก่อให้เกิดการพาความร้อนหายไป) และ/หรือของเหลวมีความหนืด (เหนียว) มากขึ้น

สำหรับการพาความร้อนเนื่องจากการให้ความร้อนจากด้านล่าง ดังที่อธิบายไว้ในหม้อต้มข้างต้น สมการจะถูกปรับเปลี่ยนสำหรับการขยายตัวทางความร้อนและการแพร่ความร้อน การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนกำหนดโดย:

${\displaystyle \Delta \rho =\rho _{0}\beta \Delta T}$

ที่ไหน

• ${\displaystyle \rho _{0}}$คือความหนาแน่นอ้างอิง ซึ่งโดยทั่วไปจะเลือกให้เป็นความหนาแน่นเฉลี่ยของตัวกลาง
• ${\displaystyle \beta }$คือค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและ
• ${\displaystyle \Delta T}$คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านทั้งสองของตัวกลาง

ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายทั่วไป${\displaystyle D}$ถูกกำหนดนิยามใหม่เป็นค่าการแพร่ความร้อน${\displaystyle \alpha }$.

${\displaystyle D=\alpha }$

การใส่ค่าทดแทนเหล่านี้จะทำให้ได้เลขเรย์ลีย์ที่สามารถใช้ในการทำนายการพาความร้อนได้^{[ 49 ]}

${\displaystyle {\textbf {Ra}}={\frac {\rho _{0}g\beta \Delta TL^{3}}{\alpha \mu }}}$

แนวโน้มของระบบการพาความร้อนตามธรรมชาติเฉพาะไปสู่ความปั่นป่วนขึ้นอยู่กับเลขกราสฮอฟ (Gr) ^{[ 50 ]}

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta TL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

ในของไหลที่มีความเหนียวสูงมาก ( ค่า ν สูง ) การเคลื่อนที่ของของไหลจะถูกจำกัด และการพาความร้อนตามธรรมชาติจะไม่เป็นแบบปั่นป่วน

จากการพิจารณาตามหัวข้อก่อนหน้า ความเร็วของของเหลวโดยทั่วไปจะอยู่ในระดับประมาณนี้${\displaystyle g\Delta \rho L^{2}/\mu }$โดยมีค่าตัวคูณเชิงตัวเลขขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของระบบ ดังนั้น อาจกล่าวได้ว่าเลขกราสฮอฟ (Grashof number) คือเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) ที่ใช้ความเร็วของการพาความร้อนตามธรรมชาติมาแทนที่ความเร็วในสูตรของเลขเรย์โนลด์ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เมื่อกล่าวถึงเลขเรย์โนลด์ มักหมายถึงการพิจารณาการพาความร้อนแบบบังคับ และความเร็วที่ใช้คือความเร็วที่ถูกกำหนดโดยข้อจำกัดภายนอก (ดูด้านล่าง)

สามารถกำหนดสูตรของเลขกราสฮอฟ ( Grashof number)สำหรับการพาความร้อนตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้นซึ่งบางครั้งเรียกว่าการพาความร้อนเชิงอุณหภูมิและความเข้มข้น ในกรณีนี้ ของเหลวร้อนที่มีความเข้มข้นสูงจะแพร่กระจายไปยังของเหลวเย็น ในลักษณะเดียวกับที่หมึกที่เทลงในภาชนะบรรจุน้ำจะแพร่กระจายไปย้อมสีทั่วทั้งบริเวณ จากนั้น:

${\displaystyle Gr={\frac {g\beta \Delta CL^{3}}{\nu ^{2}}}}$

การพาความร้อนตามธรรมชาติขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวที่ร้อนเป็นอย่างมาก มีความสัมพันธ์หลายอย่างที่ใช้ในการกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน ความสัมพันธ์ทั่วไปที่ใช้ได้กับรูปทรงเรขาคณิตหลากหลายแบบคือ

${\displaystyle Nu=\left[Nu_{0}^{\frac {1}{2}}+Ra^{\frac {1}{6}}\left({\frac {f_{4}\left(Pr\right)}{300}}\right)^{\frac {1}{6}}\right]^{2}}$

ค่าของ f (Pr) คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้

${\displaystyle f_{4}(Pr)=\left[1+\left({\frac {0.5}{Pr}}\right)^{\frac {9}{16}}\right]^{\frac {-16}{9}}}$

Nu คือเลขนัสเซลต์และค่าของ Nu และความยาวลักษณะเฉพาะที่ใช้ในการคำนวณ Re แสดงไว้ด้านล่าง (ดูเพิ่มเติมในส่วนการอภิปราย):

เรขาคณิต	ความยาวลักษณะเฉพาะ	นู
ระนาบเอียง	x (ระยะทางตามระนาบ)	0.68
แผ่นดิสก์เอียง	9D/11 (D = เส้นผ่านศูนย์กลาง)	0.56
ทรงกระบอกแนวตั้ง	x (ความสูงของทรงกระบอก)	0.68
กรวย	4x/5 (x = ระยะทางตามพื้นผิวลาดเอียง)	0.54
ทรงกระบอกแนวนอน	${\displaystyle \pi D/2}$(D = เส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกระบอก)	0.36${\displaystyle \pi }$

คำเตือน : ค่าที่ระบุสำหรับกระบอกสูบแนวนอนไม่ถูกต้องโปรดดูรายละเอียดในส่วนการอธิบายเพิ่มเติม