Konvekcija: što je to i kako djeluje?

Toplina je na najosnovnijoj razini kinetička energija atoma i molekula. Konvekcija utječe na sve, od zagrijavanja kuće do procesa prijenosa topline na suncu.

Kako se krutina, tekućina ili plin zagrijava, atomi ili molekule koje je čine vibriraju sve više i više; ove povećane vibracije zahtijevaju veći volumen za svaki atom / molekulu.

U plinu se to ne izražava kao "vibracija", već kao povećana brzina čestica, a time i povećani pritisak na posudu s plinom. Iz tog razloga većina materijala proširiti dok se zagrijavaju. To se u najvećoj mjeri događa u plinovima, ali u manjoj mjeri i u tekućinama i krutinama.

Kad se nešto proširi, postaje manje gusto; u jedinici volumena ima manje čestica, a time i manje mase, nego što ih je bilo prije. Ali u tekućinama i plinovima (tekućinama), područje manje gustoće uzdići će se i plutati iznad područja veće gustoće zbog utjecaja gravitacije. Ova dva pojma, da toplina uzrokuje smanjenje gustoće i da tekućine rastu i padaju prema gustoći, kombiniraju se i stvaraju fenomen prijenosa topline konvekcije.

Konvekcija je metoda prijenosa toplinske energije kod koje se prijenos topline odvija kretanjem fluida. Ovakvo gibanje fluida uzrokovano je razlikom u gustoći između vrućih područja tekućine i hladnijih područja. Ti se pokreti nazivaju struje konvekcije, a konvektivno kretanje tekućine nastavlja se sve dok postoji temperaturna razlika između regija.

Ova temperaturna razlika posebno je oštra kada postoji izvor topline s jedne strane tekućine, kao što je grijač u blizini poda sobe. Topli zrak na dnu kontinuirano se kreće prema gore, dok se hladniji zrak kreće prema dolje da bi se zagrijavao, a zatim se također kreće prema gore. Kretanje zraka uzrokuje kružne struje koje će se nastaviti ako zrak ne dosegne ravnotežnu temperaturu; čaša vode sobne temperature uglavnom neće imati konvektivne struje, dok će čaša vode s ledom u sebi imati konvektivne struje.

Konvekcija se često opisuje kao kombinacija dva fizička procesa: advekcije i difuzije. Advekcija je transport materije rasuti, poput kretanja mulja riječnog toka protokom rijeke. Difuzija je transport materije kretanjem čestica iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije, poput kretanja čestica boje koje se šire čašom vode.

Kako se konvekcijom vruća tvar pomiče prema gore, a hladnija prema dolje, to čini pomicanjem tvari u rasutom stanju (advekcija) i na čestice (difuzija).

Prema definiciji, konvekcija se ne može dogoditi u čvrstim tijelima zbog nemogućnosti stvaranja protoka fluida u krutoj tvari (čestice se ne mogu pomicati jedna prema drugoj, već mogu samo vibrirati na mjestu). Prijenos topline u čvrstim tijelima događa se umjesto provođenja ili prijenosa vibracijske energije s jednog atoma ili molekule u krutom kristalu na svoje susjede. Postoje neke iznimke od toga kod mekih krutina gdje se čestice mogu kretati jedna pored druge.

Imajući na umu konvekciju, možete vam pomoći da učinkovitije zagrijavate ili hladite kuću. Budući da vrući zrak ima tendenciju porasta, a hladni zrak tone, pomaže grijačima staviti bliže podu, a klima uređaje više.

Stropni ventilatori obično mogu raditi u oba smjera: ili ispuhujući zrak odozgo, ili pušući zrak odozdo. Puhanje zraka obično je korisno ljeti, pa osjećate da vam konvektivni vjetrić hladi kožu; izvlačenje zraka korisno je zimi jer pomaže potiskivanje vrućeg zraka prema gore i prema zidu, a da ne puše izravno na vas.

Kako se voda hladi, ona se skuplja i postaje gušća poput većine drugih tvari. Međutim, kada se ohladi na oko 4 Celzijeva stupnja, zapravo se počinje lagano širiti. Voda je prilično jedinstvena po tome što je njezin čvrsti oblik, led, manje gust od tekućeg oblika. Dakle, iako općenito postaje gušći kako se hladi, u određenom trenutku taj se trend preokreće i počinje se širiti sve do točke ledišta na 0 Celzijevih stupnjeva. To utječe na to kako djeluje konvekcija u zaleđenom jezeru.

Kako se voda u jezeru hladi, ona tone kako se toplija voda diže, ali samo dok cijelo jezero ne dosegne 4 stupnja Celzija. U ovom trenutku konvekcija se obrće: Voda hladnija od 4 Celzijeva stupnja manje je gusta od toplija voda, što znači da gornji dio jezera postaje hladniji od dna i leda oblici. Zbog toga se jezera prvo smrzavaju na vrhu.

Sunce (kao i većina zvijezda) prolazi kroz unutarnju konvekciju s vrućom i hladnijom plazmom. Unutar Sunčeve zone konvekcije, koja se proteže prema unutra od njegove vanjske površine, toplinska energija se prenosi iz vruće solarne unutrašnjosti u hladnija vanjska područja putem konvekcijskih struja.

Ovo stvara "konvekcijske stanice, "koje su tamne i svijetle mrlje koje možete vidjeti na površini Sunca. Svjetlosne mrlje su konvekcijske stanice vruće plazme koja je upravo izrasla iz unutrašnjosti; tamne mrlje su od konvekcijskih ćelija plazme koje su se ohladile i uskoro će ponovo pasti kroz zonu konvekcije.

Te se tamne i svijetle mrlje ponekad nazivaju i solarnim granulama. Prosječno su promjera oko 1.000 km (otprilike duljina države Kalifornija) i zadržavaju se na površini samo oko osam do 20 minuta. U bilo kojem trenutku, Sunčeva površina sadrži oko četiri milijuna granula!

Konvekcija je izuzetno važna u meteorologiji ili proučavanju vremena. Protok toplog i hladnog zraka kroz atmosferu ono je što stvara različite oblike oblaka, kao i grmljavinske oluje, tornade i vremenske fronte.

Neki pećnice su sposobni peći konvekcijom. Konvekcijske pećnice koriste ventilatore i ispušni sustav koji cirkulira zrak unutar pećnice dok se peče, pušući vrući zrak izravno preko hrane. To omogućuje da se hrana kuha brže i ravnomjernije nego što bi bila da je jednostavno postavljena u blizini grijaćih elemenata pećnice. Također čini unutrašnjost pećnice suhom i manje vlažnom, što može biti bolje za posmeđivanje hrane.

Magnetsko polje Zemlje uzrokovano je konvekcijskim strujama u njezinoj vanjskoj jezgri. U središtu Zemlje nalazi se čvrsta unutarnja jezgra, okružena tekućom vanjskom jezgrom koja se sastoji uglavnom od željeza i nikla. Oba su metala dobri vodiči električne energije. Struje konvekcije u ovom sloju tekućine stvaraju električne struje unutar tekućeg metala, koje stvaraju magnetska polja; zbroj ovih magnetskih polja je Zemljino magnetsko polje, koje usmjerava sve kompase prema Sjevernom polu i štiti Zemlju od kozmičkog zračenja.