Lämpö on alkeellisimmalla tasolla atomien ja molekyylien kineettinen energia. Konvektio vaikuttaa kaikkeen talosi lämmityksestä auringon lämmönsiirtoprosessiin.
Lämpötilan ja tiheyden suhde
Kun kiinteää ainetta, nestettä tai kaasua kuumennetaan, sen muodostavat atomit tai molekyylit värisevät yhä enemmän; nämä lisääntyneet värähtelyt vaativat enemmän tilaa jokaiselle atomille / molekyylille.
Kaasussa tämä ei ilmaistu "värähtelynä", vaan hiukkasten lisääntyneenä nopeutena ja siten lisääntyneenä paineena kaasusäiliöön. Tästä syystä useimmat materiaalit laajentaa kun ne lämmitetään. Tätä tapahtuu eniten kaasuissa, mutta vähemmässä määrin myös nesteissä ja kiinteissä aineissa.
Kun jokin laajenee, siitä tulee vähemmän tiheä; on vähemmän hiukkasia ja siten vähemmän massaa tilavuusyksikköä kohti kuin aikaisemmin. Mutta nesteissä ja kaasuissa (nesteissä) pienemmän tiheyden alue nousee ja kelluu suuremman tiheyden alueiden yläpuolella painovoiman vaikutuksesta. Nämä kaksi käsitettä, jotka aiheuttavat lämmön vähenemisen tiheydessä ja että nesteet nousevat ja laskevat tiheyden mukaan, muodostavat yhdessä
Konvektion määritelmä
Konvektio on menetelmä lämpöenergian siirtämiseksi, jossa lämmönsiirto tapahtuu nesteen liikkeellä. Tämä nesteen liike johtuu tiheyden erosta nesteen kuumempien alueiden ja viileämpiä alueita. Näitä liikkeitä kutsutaan konvektiovirrat, ja nesteen konvektiivinen liike jatkuu niin kauan kuin alueiden välillä on lämpötilaero.
Tämä lämpötilaero on erityisen suuri, kun nesteen toisella puolella on lämmönlähde, kuten lämmitin lähellä huoneen lattiaa. Pohjan lämmin ilma liikkuu jatkuvasti ylöspäin, kun taas viileämpi ilma liikkuu alaspäin lämmitettäväksi ja sitten myös ylöspäin. Ilman liike aiheuttaa pyöreitä virtauksia, jotka jatkuvat, ellei ilma saavuta tasapainolämpötilaa; lasillisella vettä huoneenlämmössä ei yleensä ole konvektiivivirtoja, kun taas lasillisella vedellä, jossa on jäätä, on konvektiivivirrat.
Konvektiota kuvataan usein kahden fyysisen prosessin yhdistelmänä: advektio ja diffuusio. Advection on aineen kuljettaminen irtotavarana, kuten joen pohjassa olevan lietteen liikkuminen virran kautta. Diffuusio on aineen kulkeutuminen hiukkasliikkeellä korkean konsentraation alueelta matalan konsentraation alueelle, kuten lasipinnan läpi leviävien värihiukkasten liike.
Kun konvektio siirtää kuumaa ainetta korkeammalle ja viileämpää ainetta pienemmälle, se tekee niin sekä siirtämällä ainetta irtotavarana (advektio) että hiukkasmaisella tavalla (diffuusio).
Konvektiota ei määritelmän mukaan voida esiintyä kiinteissä aineissa, koska kyvyttömyys aiheuttaa nestevirtausta kiinteässä aineessa (hiukkaset eivät voi liikkua suhteessa toisiinsa, mutta voivat vain värisemään paikalla). Lämmönsiirto kiinteissä aineissa tapahtuu sen sijaan johtamalla tai siirtämällä värähtelyenergiaa yhdestä atomista tai molekyylistä kiinteässä kiteessä naapureihinsa. Tässä on joitain poikkeuksia pehmeissä kiinteissä aineissa, joissa hiukkaset voivat liikkua toistensa ohi.
Talosi lämmitys ja jäähdytys
Konvektion pitäminen mielessä voi auttaa sinua lämmittämään tai jäähdyttämään talosi tehokkaammin. Koska kuumalla ilmalla on taipumus nousta ja viileällä ilmalla on taipumusta upota, se auttaa asettamaan lämmittimet lähemmäksi lattiaa ja ilmastointilaitteet korkeammalle.
Kattotuulettimet voi yleensä toimia molempiin suuntiin: joko puhaltaa ilmaa alaspäin tai puhaltaa ilmaa ylöspäin. Ilman puhaltaminen on yleensä hyödyllistä kesällä, joten tunnet konvektiivisen tuulen viilentävän ihoa; ilman vetäminen ylös on hyödyllistä talvella, koska se auttaa työntämään korkean kuuman ilman alas ja ulos kohti seiniä puhaltamatta suoraan sinua.
Jäätyvä järvi
Veden jäähtyessä se supistuu ja muuttuu tiheämmäksi kuin useimmat muut aineet. Kuitenkin, kun se jäähtyy noin 4 celsiusasteeseen, se alkaa todella laajentua hieman. Vesi on melko ainutlaatuinen siinä mielessä, että sen kiinteä muoto, jää, on vähemmän tiheä kuin nestemäinen. Joten vaikka se yleensä muuttuu tiheämmäksi jäähtyessään, tietyssä vaiheessa tämä suuntaus kääntyy ja alkaa laajentua jäätymispisteeseensä 0 celsiusasteeseen asti. Tämä vaikuttaa siihen, miten konvektio toimii jäätyvässä järvessä.
Kun vesi järvessä jäähtyy, se uppoaa, kun lämpimämpi vesi nousee, mutta vasta kunnes koko järvi on 4 astetta. Tässä vaiheessa konvektio kääntyy: Vesi, joka on viileämpi kuin 4 celsiusastetta, on vähemmän tiheää kuin lämpimämpi vesi, mikä tarkoittaa, että järven yläosa jäähtyy kuin pohja ja jää lomakkeet. Siksi järvet jäätyvät ensin huipulle.
Aurinkokierto
Aurinko (samoin kuin useimmat tähdet) läpikäyvät sisäisen konvektion kuumemmalla plasmalla ja viileämmällä plasmalla. Auringon konvektiovyöhykkeellä, joka ulottuu sisäänpäin sen ulkopinnasta, lämpöenergia kulkeutuu kuumasta aurinko-sisätilasta jäähdyttimille ulkopinnoille konvektiovirtausten kautta.
Tämä luo "konvektiosolut, "jotka ovat pimeitä ja valoisia pilkkuja, jotka voit nähdä auringon pinnalla. Valopisteet ovat kuuman plasman konvektiosoluja, jotka ovat juuri nousseet sisätiloista; tummat täplät ovat plasman konvektiosoluista, jotka ovat jäähtyneet ja putoavat pian takaisin alas konvektiovyöhykkeen läpi.
Näitä tummia ja vaaleita täpliä kutsutaan joskus myös aurinkorakeiksi. Niiden keskimääräinen halkaisija on noin 1 000 km (noin Kalifornian osavaltion pituudelta) ja ne pysyvät pinnalla vain noin kahdeksan - 20 minuuttia. Aina pinta sisältää noin neljä miljoonaa rakeita!
Muita esimerkkejä konvektiosta
Konvektio on erittäin tärkeä meteorologiassa tai sään tutkimuksessa. Lämpimän ja viileän ilman virtaus ilmakehän läpi luo erimuotoisia pilviä, ukkosta, tornadoa ja säärintamaa.
Jonkin verran uunit pystyvät leipomaan konvektiolla. Kiertoilmauunit käyttävät puhaltimia ja pakojärjestelmää, joka kiertää ilmaa uunissa sen kypsennyksen aikana ja puhaltaa kuumaa ilmaa suoraan ruoan yli. Tämä antaa ruoan kypsyä nopeammin ja tasaisemmin kuin jos se asetettaisiin yksinkertaisesti uunin lämmityselementtien lähelle. Se tekee myös uunin sisäosasta kuivemman ja vähemmän kostean, mikä voi olla parempi ruskistamaan ruokaa.
Maan magneettikentän aiheuttavat sen ulkosydämen konvektiovirrat. Maapallon keskellä on kiinteä sisusydän, jota ympäröi nestemäinen ulkosydin, joka koostuu pääosin raudasta ja nikkelistä. Molemmat metallit ovat hyviä sähkönjohtimia. Tämän nestekerroksen konvektiovirrat luovat nestemäisen metallin sisällä sähkövirtoja, jotka luovat magneettikenttiä; näiden magneettikenttien summa on maapallon magneettikenttä, joka osoittaa kaikki kompassit pohjoisnavalle ja suojaa maata kosmiselta säteilyltä.
