Konvekció: mi ez és hogyan működik?

A hő a legalapvetőbb szinten az atomok és molekulák kinetikus energiája. A konvekció mindenre hatással van a ház fűtésétől kezdve a nap hőhordozásának folyamatáig.

Szilárd, folyékony vagy gázmelegítés közben az azt alkotó atomok vagy molekulák egyre jobban rezegnek; ezek a megnövekedett rezgések nagyobb térfogatot igényelnek minden egyes atomnál / molekulánál.

Egy gázban ezt nem "rezgésként" fejezik ki, hanem a részecskék megnövekedett sebességeként, és ezért megnövekedett nyomásként a gáz tartályára. Emiatt a legtöbb anyag kiterjed ahogy fel vannak hevítve. Ez a legnagyobb mértékben gázokban történik, de kisebb mértékben folyadékokban és szilárd anyagokban is.

Ha valami kitágul, kevésbé sűrűvé válik; kevesebb részecske és ennélfogva kevesebb tömeg van térfogategységre, mint korábban volt. De folyadékokban és gázokban (folyadékokban) egy alacsonyabb sűrűségű régió a gravitáció hatására emelkedik és lebeg a nagyobb sűrűségű területek fölött. Ez a két fogalom, amely szerint a hő a sűrűség csökkenését okozza, és hogy a folyadékok a sűrűség szerint emelkednek és esnek, együtt alkotják a

A konvekció a hőenergia-átvitel olyan módszere, ahol a hőátadás folyadékmozgással történik. Ezt a folyadékmozgást a folyadék melegebb és a hűvösebb régiói közötti sűrűségbeli különbség okozza. Ezeket a mozgásokat hívják konvekciós áramok, és a folyadék konvektív mozgása addig folytatódik, amíg a régiók között hőmérséklet-különbség van.

Ez a hőmérséklet-különbség különösen akkora, ha a folyadék egyik oldalán hőforrás található, például fűtőberendezés a szoba padlója közelében. Az alján lévő meleg levegő folyamatosan felfelé mozog, míg a hűvösebb levegő lefelé mozog, hogy felmelegedjen, majd ezt követően szintén felfelé mozog. A levegő mozgása olyan köráramokat okoz, amelyek akkor is folytatódnak, ha a levegő eléri az egyensúlyi hőmérsékletet; egy pohár vízben szobahőmérsékleten általában nem lesz konvektív áram, míg egy pohár vízben jéggel konvektív áramok vannak.

A konvekciót gyakran két fizikai folyamat kombinációjaként írják le: az advekció és a diffúzió. Advekció az anyag tömeges mozgása, például a mederiszap mozgása a folyó folyása által. Diffúzió az anyag részecskemozgással történő szállítása egy nagy koncentrációjú területről egy alacsony koncentrációjú területre, például egy festékrészecskék mozgása egy pohár vízen keresztül.

Amint a konvekció a melegebb anyagot magasabbra, a hűvösebb anyagot alacsonyabban mozgatja, mind az anyag tömeges mozgatásával (advekció), mind pedig részecskés úton (diffúzió) történik.

A konvekció definíció szerint nem fordulhat elő szilárd anyagokban, mivel a szilárd anyagban képtelen folyadékáramot létrehozni (a részecskék nem mozoghatnak egymáshoz képest, csak a helyükön rezeghetnek). A szilárd anyagokban történő hőátadás helyette vezetés, vagy a szilárd kristályban lévő egyik atom vagy molekula rezgési energiájának a szomszédaira történő átvitelével történik. Van néhány kivétel ez alól a lágy szilárd anyagokban, ahol a részecskék elmozdulhatnak egymás mellett.

A konvekció szem előtt tartása segíthet a ház hatékonyabb fűtésében vagy hűtésében. Mivel a forró levegő hajlamos emelkedni és a hűvös levegő süllyedni, ez segít a fűtőtestek közelebb kerülni a padlóhoz, a légkondicionálók pedig feljebb.

Mennyezeti ventilátorok általában mindkét irányban működhet: vagy fentről lefelé, vagy alulról fúj levegőt. A levegő lefújása nyáron általában hasznos, így érzi, hogy a konvektív szellő lehűti a bőrét; a levegő felhúzása télen hasznos, mert segít a magasan forró levegőt lefelé és kifelé tolni a falak felé, anélkül, hogy közvetlenül rád fújna.

Ahogy a víz hűl, összehúzódik és sűrűbbé válik, mint a legtöbb más anyag. Amikor azonban körülbelül 4 Celsius-fokra hűl, valójában kissé tágulni kezd. A víz meglehetősen egyedülálló, mivel szilárd formája, a jég kevésbé sűrű, mint folyékony formája. Tehát bár hűlés közben általában sűrűbbé válik, egy bizonyos ponton ez a tendencia megfordul, és tágulni kezd 0 ° C-os fagypontjáig. Ez hatással van a konvekció működésére egy fagyos tóban.

Ahogy a tó vize lehűl, a melegebb víz emelkedésével elsüllyed, de csak addig, amíg az egész tó 4 Celsius-fokos nem lesz. Ezen a ponton a konvekció megfordul: A 4 Celsius-foknál hűvösebb víz kevésbé sűrű, mint a melegebb víz, vagyis a tó felső része hidegebbé válik, mint a feneke és a jég formák. Ezért a tavak először a tetején fagynak le.

A Nap (csakúgy, mint a legtöbb csillag) belső konvekción megy keresztül, forróbb plazmával és hűvösebb plazmával. A Nap konvekciós zónájában, amely a külső felületétől befelé nyúlik, a hőenergiát a forró nap belsejéből a hűvösebb külső régiókba konvekciós áramok viszik át.

Ez létrehozza "konvekciós sejtek", melyek azok a sötét és világos foltok, amelyeket a Nap felszínén láthat. A fényfoltok a forró plazma konvekciós sejtjei, amelyek éppen a belsejéből emelkedtek ki; a sötét foltok a plazma konvekciós sejtjei, amelyek lehűltek, és hamarosan visszaesnek a konvekciós zónán keresztül.

Ezeket a sötét és világos foltokat néha napszemcséknek is nevezik. Átlagosan körülbelül 1000 km átmérőjűek (kb. Kalifornia állam hosszában), és csak körülbelül 20–20 percig tartózkodnak a felszínen. Egyszerre a Nap felszíne körülbelül négy millió granulátumot tartalmaz!

A konvekció rendkívül fontos a meteorológiában vagy az időjárás tanulmányozásában. A meleg és hűvös levegő áramlása a légkörön keresztül különböző felhőformákat, valamint zivatarokat, tornádókat és időjárási frontokat hoz létre.

Néhány kemencék képesek konvekcióval sütni. A konvekciós kemencék ventilátorokat és elszívórendszert használnak, amelyek keringetik a levegőt a sütő belsejében, miközben süt, és forró levegőt fúj közvetlenül az ételen. Ez lehetővé teszi az ételek gyorsabb és egyenletesebb főzését, mint ha egyszerűen a sütő fűtőelemeinek közelében helyeznék el. Szárazabbá és kevésbé párássá teszi a sütő belsejét is, ami jobb lehet az ételek barnulásához.

A Föld mágneses terét a külső magban lévő konvekciós áramok okozzák. A Föld közepén egy szilárd belső mag található, amelyet folyékony külső mag vesz körül, amely főleg vasból és nikkelből áll. Mindkét fém jó elektromos vezető. A folyadékréteg konvekciós áramai elektromos áramokat hoznak létre a folyékony fémben, amelyek mágneses tereket hoznak létre; e mágneses mezők összege a Föld mágneses tere, amely minden iránytűt az Északi-sarkra mutat és megvédi a Földet a kozmikus sugárzástól.