Vapaa konvektio, joka tunnetaan myös nimellä luonnollinen konvektio, on ilmiö, joka ilmenee, kun neste tai kaasu liikkuu sen sisällä tapahtuvien tiheysmuutosten seurauksena eikä vasteena ulkoiselle liikelähteelle, kuten tuulettimelle tai turbiinille. Luonnollinen konvektio voidaan nähdä yllättäen luonnossa, jossa sillä on rooli monissa erilaisissa luonnollisissa prosesseissa, ja se näkyy myös ihmisen ohjaamissa olosuhteissa, keittiöstä kemian laboratorioon. Tämä eroaa pakotetusta konvektiosta, jossa liike pakotetaan laitteen, kuten tuulettimen, liikkeen avulla, kuten konvektiouunissa nähdään.
Luonnollinen konvektio tapahtuu, kun nesteet muuttuvat epävakaiksi. Yksi alue muuttuu lämpimämmäksi kuin muu, menettää tiheyden ja alkaa nousta ja muodostaa pienen virran. Kun se nousee, lämpö siirtyy ympäröivään jäähdytysnesteeseen. Virtoja ja pyörteitä ilmestyy. Yksinkertaisessa esimerkissä luonnollisesta kiertoilmasta, jos elintarvikeväreillä värjättyä kuumaa vettä pudotetaan kirkkaaseen lasikulhoon, jossa on värjäämätöntä kylmää vettä, on mahdollista jäljittää värjätyn veden liikettä, kunnes seos stabiloituu ja liike pysähtyy.
Newtonin jäähdytyslailla on kriittinen rooli vapaassa konvektiossa. Newtonin mukaan lämpötilan muutosnopeutta nesteen sisällä voidaan pitää verrannollisena nesteen ja ympäristön väliseen eroon. Tämä vaikuttaa vapaaseen konvektioon, koska muuttuvat lämpötilat aiheuttavat epävakautta, mikä johtaa vapaaseen kiertoilmaan. Esimerkiksi sääjärjestelmiin vaikuttaa voimakkaasti kuuman ja kylmän ilman liike, johon vaikuttaa auringon säteily, kosketus kylmään veteen jne.
Maailman valtamerien kiertäminen on suora seuraus vapaasta kiertoilmasta. Kun vesi liikkuu pylväitä kohti, se jäähtyy ja tiivistyy ja vajoaa pohjaan. Samaan aikaan päiväntasaajaa kohti liikkuva vesi lämpenee ja muuttuu kevyemmäksi ja nousee pintaan. Tämä luo sarjan monimutkaisia virtauksia koko valtamereen, jotka tuottavat jatkuvaa kiertoa ja pitävät meressä olevan veden jatkuvassa liikkeessä.
Konvektioteoria selittää myös muita luonnollisia prosesseja, kuten nesteiden liikkumista maankuoren alla. Nesteiden siirtyminen jalkojemme alle vaikuttaa moniin luonnollisiin prosesseihin, ja nämä nesteet liikkuvat jatkuvasti maapallon lämpötilan muutosten seurauksena. Konvektiovirrat voivat myös leikata toisiaan, mikä näkyy valtameren ja sääjärjestelmien välisessä vuorovaikutuksessa valtameren yllä ja lähellä, joihin vaikuttavat valtameren virtausten aiheuttamat lämpötilan muutokset.