Teplo na nejzákladnější úrovni je kinetická energie atomů a molekul. Konvekce ovlivňuje vše od vytápění vašeho domu až po proces přenosu tepla na slunci.
Vztah mezi teplotou a hustotou
Při zahřívání pevné látky, kapaliny nebo plynu vibrují atomy nebo molekuly, které je obsahují, stále více a více; tyto zvýšené vibrace vyžadují větší objem pro každý atom / molekulu.
V plynu to není vyjádřeno jako „vibrace“, ale jako zvýšená rychlost částic, a tedy zvýšený tlak na nádobu s plynem. Z tohoto důvodu většina materiálů rozšířit protože se zahřívají. To se děje v největší míře v plynech, ale v menší míře také v kapalinách a pevných látkách.
Když se něco rozpíná, stává se méně hustým; na jednotku objemu je méně částic, a tedy méně hmoty, než tomu bylo dříve. Ale v kapalinách a plynech (tekutinách) bude oblast s nižší hustotou stoupat a vznášet se nad oblastmi s vyšší hustotou vlivem gravitace. Tyto dva koncepty, že teplo způsobuje pokles hustoty a že tekutiny stoupají a klesají podle hustoty, se spojí a vytvoří fenomén přenosu tepla konvekce.
Definice konvekce
Konvekce je metoda přenosu tepelné energie, při které k přenosu tepla dochází pohybem tekutiny. Tento pohyb tekutiny je způsoben rozdílem v hustotě mezi teplejšími oblastmi tekutiny a chladnějšími oblastmi. Tyto pohyby se nazývají konvekční proudya konvekční pohyb tekutiny pokračuje, pokud existuje teplotní rozdíl mezi oblastmi.
Tento teplotní rozdíl je obzvláště ostrý, když je na jedné straně kapaliny zdroj tepla, například ohřívač poblíž podlahy místnosti. Teplý vzduch ve spodní části se neustále pohybuje nahoru, zatímco chladnější vzduch se pohybuje dolů, aby se zahřál, a následně se také pohybuje nahoru. Pohyb vzduchu způsobuje kruhové proudy, které budou pokračovat, dokud vzduch nedosáhne rovnovážné teploty; sklenice vody při pokojové teplotě obecně nebude mít konvekční proudy, zatímco sklenice vody s ledem bude mít konvekční proudy.
Konvekce je často popisována jako kombinace dvou fyzikálních procesů: advekce a difúze. Advekce je transport hmoty hromadným pohybem, jako je pohyb bahna koryta tokem řeky. Difúze je transport hmoty pohybem částic z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací, jako je pohyb částic barviva šířících se přes sklenici vody.
Jak konvekce posouvá žhavější hmotu výše a chladnější hmotu níže, činí to jak hromadným pohybem hmoty (advekce), tak i částečkovým způsobem (difúze).
Konvekce nemůže, podle definice, nastat v pevných látkách kvůli neschopnosti vytvářet tok tekutiny v pevné látce (částice se nemohou vzájemně pohybovat, ale mohou vibrovat pouze na místě). K přenosu tepla v pevných látkách dochází místo toho vedením nebo přenosem vibrační energie z jednoho atomu nebo molekuly v pevném krystalu na jeho sousedy. Existují určité výjimky z toho v měkkých pevných látkách, kde se částice mohou pohybovat kolem sebe.
Vytápění a chlazení vašeho domu
Mít na paměti konvekci vám může pomoci efektivněji vytápět nebo ochladit váš dům. Protože horký vzduch má tendenci stoupat a chladný vzduch má tendenci klesat, pomáhá umístit ohřívače blíže k podlaze a klimatizační zařízení výše.
Stropní ventilátory mohou obvykle pracovat v obou směrech: buď foukání vzduchu dolů shora, nebo foukání vzduchu nahoru zespodu. Foukání vzduchu je obvykle v létě užitečné, takže máte pocit, že vás konvekční vánek ochlazuje pokožku; tahání vzduchu nahoru je v zimě užitečné, protože pomáhá tlačit vysoký horký vzduch dolů a ven ke stěnám, aniž by foukal přímo na vás.
Mrznoucí jezero
Jak voda chladne, smršťuje se a zhušťuje se jako většina ostatních látek. Když se však ochladí na asi 4 stupně Celsia, ve skutečnosti se začne mírně rozpínat. Voda je poměrně jedinečná v tom, že její pevná forma, led, je méně hustá než kapalná. Ačkoli se tedy při ochlazování obecně stává hustší, v určitém okamžiku se tento trend obrací a začíná expandovat až do bodu mrazu při 0 stupních Celsia. To má vliv na to, jak v mrazivém jezeře funguje konvekce.
Jak se voda v jezeře ochlazuje, klesá s tím, jak stoupá teplejší voda, ale pouze do doby, než má celé jezero 4 stupně Celsia. V tomto bodě se konvekce obrací: Voda, která je chladnější než 4 stupně Celsia, je méně hustá než teplejší voda, což znamená, že horní část jezera je chladnější než dno a led formuláře. To je důvod, proč jezera nejprve zamrznou.
Solární konvekce
Slunce (stejně jako většina hvězd) prochází vnitřní konvekcí s teplejší plazmou a chladnější plazmou. Uvnitř konvekční zóny Slunce, která se táhne dovnitř od jejího vnějšího povrchu, se tepelná energie přenáší z horkého solárního interiéru do chladnějších vnějších oblastí pomocí konvekčních proudů.
Tím se vytvoří „konvekční buňky„, což jsou tmavé a světlé skvrny, které můžete vidět na povrchu Slunce. Světelné skvrny jsou konvekční buňky horké plazmy, která právě vyšla z vnitřku; tmavé skvrny jsou z konvekčních buněk plazmy, které se ochladily a brzy spadnou zpět dolů konvekční zónou.
Tyto tmavé a světlé skvrny se také někdy nazývají solární granule. V průměru mají průměr asi 1 000 km (asi délku státu Kalifornie) a na povrchu zůstávají jen asi 8 až 20 minut. V každém okamžiku obsahuje povrch Slunce asi čtyři miliony granulí!
Další příklady konvekce
Konvekce je nesmírně důležitá v meteorologii nebo studiu počasí. Proudění teplého a chladného vzduchu atmosférou vytváří různé tvary mraků, stejně jako bouřky, tornáda a počasí.
Nějaký pece jsou schopni péct konvekcí. Konvekční trouby používají ventilátory a výfukový systém, který při pečení cirkuluje vzduch uvnitř trouby a fouká horký vzduch přímo na jídlo. To umožňuje, aby se jídlo vařilo rychleji a rovnoměrněji, než by bylo, kdyby bylo jednoduše umístěno v blízkosti topných prvků trouby. Rovněž je vnitřek trouby sušší a méně vlhký, což může být lepší pro zhnědnutí jídla.
Magnetické pole Země je způsobeno konvekčními proudy ve vnějším jádru. Ve středu Země je pevné vnitřní jádro obklopené kapalným vnějším jádrem, které je složeno převážně ze železa a niklu. Oba tyto kovy jsou dobrými vodiči elektřiny. Konvekční proudy v této kapalné vrstvě vytvářejí uvnitř tekutého kovu elektrické proudy, které vytvářejí magnetická pole; součet těchto magnetických polí je magnetické pole Země, které ukazuje všechny kompasy na severní pól a chrání Zemi před kosmickým zářením.