Konveksi: Apa Itu & Bagaimana Cara Kerjanya?

Panas, pada tingkat paling dasar, adalah energi kinetik atom dan molekul. Konveksi mempengaruhi segalanya mulai dari pemanasan rumah Anda, hingga proses perpindahan panas di dalam matahari.

Saat benda padat, cair, atau gas dipanaskan, atom atau molekul yang menyusunnya semakin bergetar; getaran yang meningkat ini membutuhkan lebih banyak volume untuk setiap atom/molekul.

Dalam gas, ini dinyatakan bukan sebagai "getaran" tetapi sebagai peningkatan kecepatan partikel, dan karena itu peningkatan tekanan pada wadah gas. Untuk alasan ini, sebagian besar material memperluas karena mereka dipanaskan. Ini terjadi pada tingkat terbesar dalam gas, tetapi pada tingkat yang lebih rendah dalam cairan dan padatan juga.

Ketika sesuatu mengembang, menjadi kurang padat; ada lebih sedikit partikel, dan karena itu lebih sedikit massa, per satuan volume daripada sebelumnya. Namun pada zat cair dan gas (fluida), suatu daerah yang berdensitas lebih rendah akan naik dan mengapung di atas daerah yang berdensitas lebih tinggi karena pengaruh gravitasi. Kedua konsep ini, bahwa panas menyebabkan penurunan densitas dan bahwa fluida naik dan turun sesuai dengan densitas, bergabung untuk menciptakan

Konveksi adalah metode perpindahan energi panas dimana perpindahan panas terjadi melalui gerakan fluida. Pergerakan fluida ini disebabkan oleh perbedaan densitas antara daerah fluida yang lebih panas dan daerah yang lebih dingin. Gerakan ini disebut arus konveksi, dan gerakan konvektif fluida terus berlanjut selama ada perbedaan suhu antar daerah.

Perbedaan suhu ini sangat mencolok ketika ada sumber panas di satu sisi fluida, seperti pemanas di dekat lantai ruangan. Udara hangat di bagian bawah terus bergerak ke atas, sedangkan udara yang lebih dingin bergerak ke bawah untuk dipanaskan dan selanjutnya juga bergerak ke atas. Pergerakan udara menyebabkan arus melingkar yang akan terus berlanjut kecuali jika udara mencapai suhu keseimbangan; segelas air pada suhu kamar umumnya tidak akan memiliki arus konveksi, sedangkan segelas air dengan es di dalamnya akan memiliki arus konveksi.

Konveksi sering digambarkan sebagai kombinasi dari dua proses fisik: adveksi dan difusi. Adveksi adalah pengangkutan materi dengan gerakan massal, seperti pergerakan lumpur dasar sungai oleh aliran sungai. Difusi adalah pengangkutan materi dengan gerakan partikel dari area konsentrasi tinggi ke area konsentrasi rendah, seperti pergerakan partikel pewarna menyebar melalui segelas air.

Saat konveksi memindahkan materi yang lebih panas lebih tinggi dan materi yang lebih dingin lebih rendah, ia melakukannya dengan memindahkan materi secara massal (adveksi) dan dengan cara partikulat (difusi).

Konveksi tidak dapat, menurut definisi, terjadi pada padatan karena ketidakmampuan untuk menciptakan aliran fluida dalam materi padat (partikel tidak dapat bergerak relatif satu sama lain, tetapi hanya dapat bergetar di tempat). Perpindahan panas dalam padatan terjadi sebagai gantinya dengan konduksi, atau transfer energi vibrasi dari satu atom atau molekul dalam kristal padat ke tetangganya. Ada beberapa pengecualian untuk ini dalam padatan lunak di mana partikel dapat bergerak melewati satu sama lain.

Mengingat konveksi dapat membantu Anda memanaskan atau mendinginkan rumah dengan lebih efisien. Karena udara panas cenderung naik, dan udara dingin cenderung turun, ada baiknya menempatkan pemanas lebih dekat ke lantai dan AC lebih tinggi.

Kipas langit-langit biasanya dapat beroperasi di kedua arah: baik meniup udara dari atas, atau meniup udara dari bawah. Meniup udara ke bawah biasanya membantu di musim panas sehingga Anda merasakan angin konvektif mendinginkan kulit Anda; menarik udara ke atas sangat membantu di musim dingin karena membantu mendorong udara panas yang tinggi ke bawah dan keluar menuju dinding, tanpa meniup langsung ke Anda.

Saat air mendingin, ia berkontraksi dan menjadi lebih padat seperti kebanyakan zat lainnya. Namun, ketika mendingin hingga sekitar 4 derajat Celcius, sebenarnya mulai sedikit mengembang. Air cukup unik karena bentuk padatnya, es, kurang padat daripada bentuk cairnya. Jadi meskipun umumnya menjadi lebih padat saat mendingin, pada titik tertentu tren ini berbalik, dan mulai mengembang hingga titik bekunya pada 0 derajat Celcius. Ini memiliki efek pada cara kerja konveksi di danau yang membeku.

Saat air di danau mendingin, ia tenggelam saat air yang lebih hangat naik tetapi hanya sampai seluruh danau bersuhu 4 derajat Celcius. Pada titik ini konveksi terbalik: Air yang lebih dingin dari 4 derajat Celcius kurang padat daripada air yang lebih hangat, artinya bagian atas danau menjadi lebih dingin daripada bagian bawah dan es formulir. Inilah sebabnya mengapa danau membeku di atas terlebih dahulu.

Matahari (serta sebagian besar bintang) mengalami konveksi internal dengan plasma yang lebih panas dan plasma yang lebih dingin. Di dalam zona konveksi Matahari, yang membentang ke dalam dari permukaan luarnya, energi panas dibawa dari bagian dalam matahari yang panas ke daerah luar yang lebih dingin melalui arus konveksi.

Ini menciptakan "sel konveksi," yang merupakan bintik-bintik gelap dan terang yang dapat Anda lihat di permukaan Matahari. Bintik-bintik cahaya adalah sel-sel konveksi plasma panas yang baru saja naik dari interior; Bintik-bintik gelap tersebut merupakan sel konveksi plasma yang telah mendingin dan akan segera turun kembali melalui zona konveksi.

Bintik-bintik gelap dan terang ini juga kadang-kadang disebut butiran surya. Mereka rata-rata berdiameter sekitar 1.000 km (sekitar panjang negara bagian California) dan tinggal di permukaan hanya sekitar delapan hingga 20 menit. Pada suatu waktu, permukaan Matahari mengandung sekitar empat juta butiran!

Konveksi sangat penting dalam meteorologi atau studi cuaca. Aliran udara hangat dan dingin melalui atmosfer inilah yang menciptakan berbagai bentuk awan, serta badai petir, tornado, dan cuaca.

Beberapa oven dapat memanggang secara konveksi. Oven konveksi menggunakan kipas dan sistem pembuangan yang mengedarkan udara di dalam oven saat memanggang, meniupkan udara panas langsung ke seluruh makanan. Hal ini memungkinkan makanan untuk dimasak lebih cepat dan lebih merata daripada jika hanya diletakkan di dekat elemen pemanas oven. Ini juga membuat bagian dalam oven lebih kering dan kurang lembab, yang bisa lebih baik untuk mencoklatkan makanan.

Medan magnet bumi disebabkan oleh arus konveksi di inti luarnya. Di pusat Bumi adalah inti dalam yang padat, dikelilingi oleh inti luar cair yang sebagian besar terdiri dari besi dan nikel. Kedua logam ini merupakan penghantar listrik yang baik. Arus konveksi di lapisan cair ini menciptakan arus listrik di dalam logam cair, yang menciptakan medan magnet; jumlah medan magnet ini adalah medan magnet Bumi, yang mengarahkan semua kompas ke Kutub Utara dan melindungi Bumi dari radiasi kosmik.