Fri konvektion, även känd som naturlig konvektion, är ett fenomen som uppstår när en vätska eller gas rör sig som ett resultat av densitetsförändringar som sker inuti den, snarare än som svar på en extern rörelsekälla som en fläkt eller turbin. Naturlig konvektion kan, föga överraskande, ses i naturen, där den spelar en roll i en rad olika naturliga processer, och den kan också ses i människokontrollerade miljöer, allt från köket till kemilabbet. Detta skiljer sig från påtvingad konvektion, där rörelse tvingas fram av rörelsen av en anordning såsom en fläkt, som ses i en konvektionsugn.
Naturlig konvektion uppstår när vätskor blir instabila. Ett område blir varmare än resten, förlorar densitet, och det börjar stiga, vilket skapar en liten ström. När den stiger överförs värme till den omgivande kylvätskan. Strömmar och virvlar dyker upp. I ett enkelt exempel på naturlig konvektion, om man tappar varmt vatten färgat med livsmedelsfärg i en klar glasskål med ofärgat kallt vatten, kommer det att vara möjligt att spåra det färgade vattnets rörelse tills blandningen stabiliseras och rörelsen stannar.
Newtons lag om kylning spelar en avgörande roll i fri konvektion. Enligt Newton kan förändringshastigheten temperaturmässigt inom en vätska ses som proportionell mot skillnaden mellan vätskan och omgivningen. Detta påverkar fri konvektion, eftersom växlande temperaturer skapar instabilitet, vilket leder till fri konvektion. Vädersystem påverkas till exempel kraftigt av rörelsen av varm och kall luft som påverkas av solstrålning, kontakt med kallt vatten och så vidare.
Cirkulationen av världshaven är en direkt följd av fri konvektion. När vattnet rör sig mot polerna svalnar det och blir tätare och sjunker mot botten. Under tiden värms vatten som rör sig mot ekvatorn upp och blir lättare och stiger upp till ytan. Detta skapar en serie komplexa strömmar i hela havet som genererar kontinuerlig cirkulation, vilket håller vattnet i havet i konstant rörelse.
Konvektionsteorin förklarar också andra naturliga processer, såsom rörelsen av vätskor under jordskorpan. Förskjutningen av vätskor under våra fötter spelar en roll i ett antal naturliga processer, där dessa vätskor ständigt rör sig som ett resultat av temperaturförändringar inuti jorden. Konvektionsströmmar kan också skära varandra, vilket ses i samspelet mellan havet och vädersystemen över och nära havet som påverkas av temperaturförändringar orsakade av havsströmmars rörelse.