Конвекция: Какво е това и как работи?

Топлината, на най-основното ниво, е кинетичната енергия на атомите и молекулите. Конвекцията засяга всичко - от отоплението на къщата ви до процеса на топлопредаване в рамките на слънцето.

Тъй като твърдото вещество, течността или газът се нагряват, атомите или молекулите, които го съставят, вибрират все повече и повече; тези увеличени вибрации изискват повече обем за всеки атом / молекула.

При газ това се изразява не като "вибрация", а като увеличена скорост на частиците и следователно повишено налягане върху резервоара за газ. По тази причина повечето материали разширяване като се загряват. Това се случва в най-голяма степен при газовете, но в по-малка степен и при течностите и твърдите вещества.

Когато нещо се разшири, то става по-малко плътно; има по-малко частици и следователно по-малка маса на единица обем, отколкото е имало преди. Но в течности и газове (течности), област с по-ниска плътност ще се издигне и ще се носи над областите с по-висока плътност поради влиянието на гравитацията. Тези две концепции, че топлината причинява намаляване на плътността и че течностите се повишават и намаляват според плътността, се комбинират, за да създадат

Конвекцията е метод за пренос на топлинна енергия, при който преносът на топлина се осъществява чрез движение на флуида. Това движение на флуида се дължи на разликата в плътността между по-горещите области на флуида и по-хладните региони. Тези движения се наричат конвекционни токове, а конвективното движение на течността продължава, докато има температурна разлика между регионите.

Тази температурна разлика е особено силна, когато има източник на топлина от едната страна на течността, като нагревател близо до пода на помещение. Топлият въздух отдолу непрекъснато се движи нагоре, докато по-хладният въздух се движи надолу, за да се нагрее и впоследствие също се движи нагоре. Движението на въздуха причинява кръгови течения, които ще продължат, освен ако въздухът не достигне равновесна температура; чаша вода със стайна температура обикновено няма конвективни течения, докато чаша вода с лед в нея ще има конвективни течения.

Конвекцията често се описва като комбинация от два физически процеса: адвекция и дифузия. Адвекция е транспортирането на материя чрез насипно движение, като например движението на тинята на речното корито от потока на реката. Дифузия е транспортирането на материя чрез движение на частици от зона с висока концентрация до зона с ниска концентрация, като движението на частици багрило, разпространяващи се през чаша вода.

Тъй като конвекцията премества по-горещата материя по-нагоре, а по-хладната по-ниска, тя го прави както чрез преместване на материята на едро (адвекция), така и по частичен начин (дифузия).

По дефиниция конвекцията не може да възникне в твърди вещества поради невъзможността да се създаде флуиден поток в твърдо вещество (частиците не могат да се движат една спрямо друга, но могат да вибрират само на място). Топлопреносът в твърди вещества се извършва вместо чрез проводимост или прехвърляне на вибрационна енергия от един атом или молекула в твърд кристал към съседите му. Има някои изключения от това при меките твърди частици, при които частиците могат да се движат една над друга.

Имайки предвид конвекцията може да ви помогне да отоплявате или охлаждате къщата си по-ефективно. Тъй като горещият въздух има тенденция да се повишава, а хладният въздух има тенденция да потъва, това помага да се поставят нагревателите по-близо до пода, а климатиците по-нагоре.

Таванни вентилатори обикновено може да работи в двете посоки: или издухване на въздух отгоре, или издухване на въздух отдолу. Подуването на въздуха обикновено е полезно през лятото, така че усещате конвективния вятър, който охлажда кожата ви; издърпването на въздуха нагоре е полезно през зимата, защото помага за изтласкването на горещия въздух надолу и навън към стените, без да духа директно върху вас.

Когато водата се охлажда, тя се свива и става по-плътна като повечето други вещества. Когато обаче се охлади до около 4 градуса по Целзий, всъщност започва леко да се разширява. Водата е доста уникална с това, че нейната твърда форма, лед, е по-малко плътна от течната си форма. Така че, въпреки че обикновено става по-плътно, докато се охлажда, в определен момент тази тенденция се обръща и започва да се разширява до точката на замръзване при 0 градуса по Целзий. Това оказва влияние върху това как работи конвекцията в замръзващото езеро.

Тъй като водата в езерото се охлажда, тя потъва с надигането на по-топла вода, но само докато цялото езеро стане 4 градуса по Целзий. В този момент конвекцията се обръща: Водата, която е по-хладна от 4 градуса по Целзий, е по-малко плътна от по-топлата вода, което означава, че горната част на езерото става по-студена от дъното и леда форми. Ето защо езерата първо замръзват отгоре.

Слънцето (както и повечето звезди) претърпява вътрешна конвекция с по-гореща и по-хладна плазма. В зоната на конвекция на Слънцето, която се простира навътре от външната му повърхност, топлинната енергия се пренася от горещата слънчева вътрешност към по-хладните външни области чрез конвекционни токове.

Това създава "конвективни клетки, "които са тъмните и светли петна, които можете да видите на повърхността на Слънцето. Светлинните петна са конвекционни клетки на гореща плазма, която току-що се е издигнала от вътрешността; тъмните петна са от плазмени клетки на конвекция, които са охладени и скоро ще паднат обратно през зоната на конвекция.

Тези тъмни и светли петна понякога се наричат ​​и слънчеви гранули. Те са средно около 1000 км в диаметър (около дължината на щата Калифорния) и остават на повърхността само около около осем до 20 минути. По всяко време повърхността на Слънцето съдържа около четири милиона гранули!

Конвекцията е изключително важна в метеорологията или изучаването на времето. Потокът на топъл и хладен въздух през атмосферата е това, което създава различни форми на облаци, както и гръмотевични бури, торнадо и метеорологични фронтове.

Някои фурни могат да се пекат чрез конвекция. Конвекционните фурни използват вентилатори и изпускателна система, които циркулират въздуха във фурната, докато се пече, издухвайки горещ въздух директно през храната. Това позволява на храната да се готви по-бързо и по-равномерно, отколкото ако просто се постави близо до нагревателните елементи на фурната. Освен това вътрешността на фурната става по-суха и по-малко влажна, което може да бъде по-добре за покафеняване на храната.

Магнитното поле на Земята се причинява от конвекционни токове във външното му ядро. В центъра на Земята е твърдо вътрешно ядро, заобиколено от течно външно ядро, което се състои предимно от желязо и никел. И двата метала са добри проводници на електричество. Конвекционните токове в този течен слой създават електрически токове в течния метал, които създават магнитни полета; сумата от тези магнитни полета е магнитното поле на Земята, което насочва всички компаси към Северния полюс и предпазва Земята от космическо излъчване.