Konvektsioon: mis see on ja kuidas see töötab?

Kuumus on kõige põhilisemal tasemel aatomite ja molekulide kineetiline energia. Konvektsioon mõjutab kõike alates teie maja kütmisest kuni päikese käes toimuva soojusülekande protsessini.

Tahke, vedeliku või gaasi kuumutamisel vibreerivad seda sisaldavad aatomid või molekulid üha enam; need suurenenud vibratsioonid nõuavad iga aatomi / molekuli jaoks suuremat mahtu.

Gaasis väljendub see mitte "vibratsioonina", vaid osakeste suurenenud kiirusena ja seetõttu suurenenud rõhuna gaasimahutile. Sel põhjusel on enamik materjale laienema kui neid kuumutatakse. Seda juhtub kõige rohkem gaasides, vähemal määral ka vedelikes ja tahketes ainetes.

Kui midagi laieneb, muutub see vähem tihedaks; mahuühiku kohta on vähem osakesi ja seega ka vähem massi kui varem. Kuid vedelikes ja gaasides (vedelikes) tõuseb madalama tihedusega piirkond ja hõljub raskusjõu mõjul suurema tihedusega piirkondade kohal. Need kaks mõistet, et soojus põhjustab tiheduse vähenemist ja vedelikud tõusevad ja langevad vastavalt tihedusele, saavad kokku soojusülekande nähtus konvektsioonist.

Konvektsioon on soojusenergia ülekandemeetod, kus soojusülekanne toimub vedeliku liikumise kaudu. Selle vedeliku liikumise põhjustab vedeliku kuumemate ja jahedamate piirkondade tiheduse erinevus. Neid liikumisi nimetatakse konvektsioonivooludja vedeliku konvektiivne liikumine jätkub seni, kuni piirkondade vahel on temperatuuri erinevus.

See temperatuuride erinevus on eriti suur, kui vedeliku ühel küljel on soojusallikas, näiteks ruumi põranda lähedal asuv kütteseade. Soe õhk põhjas liigub pidevalt ülespoole, jahedam õhk aga liigub kuumutamiseks allapoole ja seejärel ka ülespoole. Õhu liikumine põhjustab ringvoolusid, mis jätkuvad, kui õhk ei saavuta tasakaalu temperatuuri; toatemperatuuril veeklaasil ei ole tavaliselt konvektiivseid hoovusi, samas kui klaasil jääga on konvektiivsed voolud.

Konvektsiooni kirjeldatakse sageli kui kahe füüsilise protsessi kombinatsiooni: advektsioon ja difusioon. Advektsioon on aine vedu lahtiselt, näiteks jõesängi muda liikumine jõe voolu kaudu. Difusioon on aine transport osakeste liikumisega suure kontsentratsiooniga alalt madala kontsentratsiooniga alale, näiteks veeklaasi kaudu levivate värviosakeste liikumine.

Kui konvektsioon liigutab kuumemat ainet kõrgemaks ja jahedamat ainet madalamaks, teeb see seda nii aine hulgi (advektsioon) kui ka tahkete osakeste (difusioon) abil.

Konvektsioon ei saa definitsiooni kohaselt tekkida tahketes ainetes, kuna tahkes aines ei ole võimalik vedeliku voolu tekitada (osakesed ei saa üksteise suhtes liikuda, vaid saavad ainult oma kohal vibreerida). Soojusülekanne tahketes ainetes toimub juhtivuse või vibratsioonienergia ülekandega ühest aatomist või molekulist tahketes kristallides naabritele. Sellel on mõned erandid pehmetes tahketes ainetes, kus osakesed saavad üksteisest mööda liikuda.

Konvektsiooni silmas pidamine võib aidata teil maja tõhusamalt kütta või jahutada. Kuna kuum õhk kipub tõusma ja jahe õhk kipub vajuma, aitab see soojendid põrandale lähemale ja kliimaseadmed kõrgemale panna.

Laeventilaatorid võivad tavaliselt töötada mõlemas suunas: kas õhku ülevalt alla puhuda või õhku alt üles puhuda. Õhu puhumine on suvel tavaliselt kasulik, nii et tunnete, et konvektiivne tuuleiil jahutab teie nahka; õhust üles tõmbamine on talvel abiks, sest see aitab tõsta kõrget kuuma õhku seinte suunas alla ja välja, ilma et te otse vastu puhuksite.

Vee jahtudes tõmbub see kokku ja muutub tihedamaks nagu enamik teisi aineid. Kuid kui see jahtub umbes 4 kraadini, hakkab see tegelikult veidi laienema. Vesi on üsna ainulaadne selle poolest, et selle tahke vorm, jää, on vähem tihe kui vedel. Nii et kuigi see muutub jahtudes üldiselt tihedamaks, pöördub see trend teatud ajahetkel ümber ja hakkab laienema kuni 0 ° C külmumispunktini. See mõjutab konvektsiooni toimimist jäätuvas järves.

Kui vesi järves jahtub, vajub see soojema vee tõustes, kuid ainult seni, kuni kogu järve temperatuur on 4 kraadi. Siinkohal pöördub konvektsioon ümber: jahedam kui 4 kraadi Celsiuse järgi on vesi vähem tihe kui soojem vesi, see tähendab, et järve ülemine osa muutub külmaks kui põhi ja jää vormid. Seetõttu külmuvad järved kõigepealt peal.

Päike (nagu ka enamik tähti) läbib sisemise konvektsiooni kuumema plasma ja jahedama plasmaga. Päikese konvektsioonivööndis, mis ulatub oma välispinnast sissepoole, kandub soojusenergia päikese kuumast sisemusest konvektsioonivoolude kaudu jahedamatesse välispindadesse.

See loobkonvektsioonirakud, "mis on tumedad ja heledad laigud, mida näete Päikese pinnal. Valguslaigud on äsja interjöörist tõusnud kuuma plasma konvektsioonirakud; tumedad laigud on plasma konvektsioonirakkudest, mis on jahtunud ja langevad peagi tagasi konvektsioonivööndi kaudu.

Neid tumedaid ja heledaid laike nimetatakse mõnikord ka päikesegraanuliteks. Nende keskmine läbimõõt on umbes 1000 km (umbes California osariigi pikkus) ja nad jäävad pinnale vaid umbes kaheksa kuni 20 minutit. Korraga sisaldab Päikese pind umbes neli miljonit graanulit!

Konvektsioon on meteoroloogias või ilma uurimisel äärmiselt oluline. Sooja ja jaheda õhu voog läbi atmosfääri tekitab erineva kujuga pilvi, samuti äikesetorme, tornaadosid ja ilmarinde.

Mõned ahjud on võimelised küpsetama konvektsiooniga. Konvektsioonahjudes kasutatakse ventilaatoreid ja väljalaskesüsteemi, mis levitavad ahju küpsetamise ajal õhku, puhudes kuuma õhu otse toidule. See võimaldab toidul küpsetada kiiremini ja ühtlasemalt, kui see asetataks lihtsalt ahju kütteelementide lähedusse. See muudab ka ahju sisemuse kuivemaks ja vähem niiskeks, mis võib olla parem toidu pruunistamiseks.

Maa magnetvälja põhjustavad selle välimise südamiku konvektsioonivoolud. Maa keskel on kindel sisemine südamik, mida ümbritseb vedel välimine südamik, mis koosneb peamiselt rauast ja niklist. Mõlemad metallid on head elektrijuhtmed. Selles vedelas kihis olevad konvektsioonivoolud tekitavad vedelas metallis elektrivooge, mis loovad magnetvälju; nende magnetväljade summa on Maa magnetväli, mis osutab kõik kompassid põhjapoolusele ja kaitseb Maad kosmilise kiirguse eest.