Konvektion: Hvad er det, og hvordan fungerer det?

Varme på det mest basale niveau er atomer og molekylers kinetiske energi. Konvektion påvirker alt fra opvarmning af dit hus til processen med varmeoverførsel i solen.

Når et fast stof, væske eller gas opvarmes, vibrerer atomer eller molekyler, der udgør det mere og mere; disse øgede vibrationer kræver mere volumen for hvert atom / molekyle.

I en gas udtrykkes dette ikke som en "vibration", men som en øget hastighed for partiklerne og derfor et øget tryk på gasens beholder. Af denne grund, de fleste materialer udvide når de opvarmes. Dette sker i vid udstrækning i gasser, men i mindre grad også i væsker og faste stoffer.

Når noget udvides, bliver det mindre tæt; der er færre partikler og derfor mindre masse pr. volumenhed end der var før. Men i væsker og gasser (væsker) vil en region med lavere tæthed stige og flyde over regionerne med højere densitet på grund af tyngdekraftens indflydelse. Disse to begreber, at varme forårsager et fald i densitet, og at væsker stiger og falder i henhold til densitet, kombinerer for at skabe

Konvektion er en metode til overførsel af termisk energi, hvor overførsel af varme sker via væskebevægelse. Denne væskebevægelse er forårsaget af forskellen i tæthed mellem varmere områder i væsken og køligere regioner. Disse bevægelser kaldes konvektionsstrømmeog den konvektive bevægelse af væske fortsætter, så længe der er en temperaturforskel mellem regioner.

Denne temperaturforskel er især skarp, når der er en varmekilde på den ene side af væsken, såsom et varmelegeme nær gulvet i et rum. Den varme luft i bunden bevæger sig kontinuerligt opad, mens den køligere luft bevæger sig nedad for at blive opvarmet og derefter derefter også bevæger sig opad. Luftbevægelse forårsager cirkulære strømme, der fortsætter, medmindre luften når en ligevægtstemperatur; et glas vand ved stuetemperatur vil normalt ikke have konvektive strømme, mens et glas vand med is i har konvektive strømme.

Konvektion beskrives ofte som en kombination af to fysiske processer: advektion og diffusion. Advektion er transport af stof med massebevægelse, såsom bevægelse af flodsengssilt ved strømmen af ​​floden. Diffusion er transport af stof ved partikelbevægelse fra et område med høj koncentration til et område med lav koncentration, såsom bevægelse af farvestofpartikler, der spredes gennem et glas vand.

Da konvektion bevæger sig varmere stof højere og køligere stof lavere, gør det det både ved at flytte sagen i bulk (advektion) og på en partikelformet måde (diffusion).

Konvektion kan pr. Definition ikke forekomme i faste stoffer på grund af manglende evne til at skabe væskeflow i fast stof (partiklerne kan ikke bevæge sig i forhold til hinanden, men kan kun vibrere på plads). Varmeoverførsel i faste stoffer sker i stedet ved ledning eller overførsel af vibrationsenergi fra et atom eller molekyle i en fast krystal til dets naboer. Der er nogle undtagelser fra dette i bløde faste stoffer, hvor partiklerne kan bevæge sig forbi hinanden.

At holde konvektion i tankerne kan hjælpe dig med at varme eller køle dit hus mere effektivt. Da varm luft har tendens til at stige, og kølig luft har tendens til at synke, hjælper det med at placere varmeapparater tættere på gulvet og klimaanlæg højere op.

Loftvifte kan normalt fungere i begge retninger: enten blæser luft ned ovenfra eller blæser luft op nedenfra. At blæse luft ned er normalt nyttigt om sommeren, så du føler den konvektive brise køle din hud; at trække luft op er nyttigt om vinteren, fordi det hjælper med at skubbe den høje varme luft ned og ud mod væggene uden at blæse direkte på dig.

Efterhånden som vandet afkøles, trækker det sig sammen og bliver tættere som de fleste andre stoffer. Men når det køler ned til ca. 4 grader Celsius, begynder det faktisk at ekspandere lidt. Vand er ret unikt, idet dets faste form, is, er mindre tæt end dets flydende form. Så selvom det generelt bliver mere tæt, når det afkøles, vender denne tendens på et bestemt tidspunkt, og det begynder at ekspandere indtil dets frysepunkt ved 0 grader Celsius. Dette har en indvirkning på, hvordan konvektion fungerer i en frysesø.

Når vand i en sø afkøles, synker det, når varmere vand stiger, men kun indtil hele søen er 4 grader Celsius. På dette tidspunkt vender konvektion: Vandet, der er køligere end 4 grader Celsius, er mindre tæt end det varmere vand, hvilket betyder, at den øverste del af søen bliver koldere end bunden og isen formularer. Det er derfor, søer fryser først først.

Solen (såvel som de fleste stjerner) gennemgår intern konvektion med varmere plasma og køligere plasma. Inden for solens konvektionszone, der strækker sig indad fra dens ydre overflade, transporteres varmeenergi fra det varme solindvendige område til de køligere ydre områder via konvektionsstrømme.

Dette skaber "konvektionsceller, "som er de mørke og lyse pletter, du kan se på solens overflade. De lyse pletter er konvektionsceller af varmt plasma, der lige er steget fra det indre; de mørke pletter er af konvektionsceller af plasma, der er afkølet og snart falder ned gennem konvektionszonen.

Disse mørke og lyse pletter kaldes også undertiden solkorn. De har en gennemsnitlig diameter på ca. 1.000 km (ca. længden af ​​staten Californien) og forbliver på overfladen i kun ca. otte til 20 minutter. Til enhver tid indeholder solens overflade omkring fire millioner granulater!

Konvektion er yderst vigtig i meteorologi eller studiet af vejret. Strømmen af ​​varm og kølig luft gennem atmosfæren skaber forskellige former for skyer såvel som tordenvejr, tornadoer og vejrfronter.

Nogle ovne er i stand til at bage ved konvektion. Konvektionsovne bruger blæsere og et udstødningssystem, der cirkulerer luften inde i ovnen, mens den bager, og blæser varm luft direkte over maden. Dette gør, at maden kan koge hurtigere og mere jævnt, end den ville, hvis den simpelthen blev placeret nær ovnens varmeelementer. Det gør også det indre af ovnen tørre og mindre fugtigt, hvilket kan være bedre til bruning af mad.

Jordens magnetfelt er forårsaget af konvektionsstrømme i dens ydre kerne. I midten af ​​jorden er en fast indre kerne omgivet af en flydende ydre kerne, der hovedsagelig består af jern og nikkel. Begge disse metaller er gode ledere af elektricitet. Konvektionsstrømmene i dette flydende lag skaber elektriske strømme i det flydende metal, som skaber magnetfelter; summen af ​​disse magnetfelter er Jordens magnetfelt, der peger alle kompasser mod Nordpolen og beskytter Jorden mod kosmisk stråling.