熱は、最も基本的なレベルでは、原子と分子の運動エネルギーです。 対流は、家の暖房から太陽の下での熱伝達のプロセスまで、すべてに影響を与えます。
温度と密度の関係
固体、液体、または気体が加熱されると、それを構成する原子または分子がますます振動します。 これらの増加した振動は、各原子/分子に対してより多くの体積を必要とします。
ガスでは、これは「振動」としてではなく、粒子の速度の増加、したがってガスの容器への圧力の増加として表されます。 このため、ほとんどの材料 展開 彼らが熱くなるにつれて。 これは、気体で最も多く発生しますが、液体や固体でも発生します。
何かが膨張すると、密度が低くなります。 単位体積あたりの粒子数が少なくなるため、質量も以前よりも少なくなります。 しかし、液体や気体（流体）では、重力の影響により、密度の低い領域が上昇し、密度の高い領域の上に浮きます。 熱が密度の低下を引き起こし、流体が密度に応じて上下するというこれらの2つの概念が組み合わさって、 伝熱現象 対流の。
対流の定義
対流は、熱の伝達が流体の動きを介して発生する熱エネルギー伝達の方法です。 この流体の動きは、流体の高温領域と低温領域の間の密度の違いによって引き起こされます。 これらの動きはと呼ばれます 対流、および領域間に温度差がある限り、流体の対流運動は継続します。
この温度差は、部屋の床の近くにあるヒーターなど、流体の片側に熱源がある場合に特に顕著です。 下部の暖かい空気は継続的に上向きに移動し、冷たい空気は下向きに移動して加熱され、その後も上向きに移動します。 空気の動きは循環電流を引き起こし、空気が平衡温度に達しない限り継続します。 室温のコップ1杯の水には一般に対流がありませんが、氷が入ったコップ1杯の水には対流があります。
対流は、移流と拡散という2つの物理的プロセスの組み合わせとして説明されることがよくあります。 移流 は、川の流れによる河床シルトの動きなど、バルク運動による物質の輸送です。 拡散 は、ガラスの水を介して広がる染料粒子の動きなど、高濃度の領域から低濃度の領域への粒子の動きによる物質の輸送です。
対流は、より高温の物質をより高く、より低温の物質をより低く移動させるので、物質をバルク（移流）および粒子状（拡散）の両方で移動させることによって移動します。
定義上、固体内で流体の流れを作り出すことができないため、対流は固体内では発生しません（粒子は相互に移動できず、所定の位置でのみ振動できます）。 代わりに、固体の熱伝達は、伝導、または固体結晶内の1つの原子または分子から隣接する原子または分子への振動エネルギーの伝達によって発生します。 粒子が互いに通過する可能性がある柔らかい固体では、これにはいくつかの例外があります。
あなたの家の冷暖房
対流を念頭に置くと、家をより効率的に暖めたり冷やしたりするのに役立ちます。 熱気が上がりやすく、冷気が沈みやすいので、ヒーターを床に近づけたり、エアコンを高くしたりするのに役立ちます。
シーリングファン 通常、上から空気を吹き込むか、下から空気を吹き上げるかの両方の方向で動作できます。 夏には通常、空気を吹き込むと効果的であるため、対流のそよ風が肌を冷やすのを感じます。 空気を引き上げることは、あなたに直接吹き付けることなく、高い熱気を壁に向かって押し下げるのに役立つので、冬に役立ちます。
凍てつく湖
水が冷えると、他のほとんどの物質と同じように収縮して密度が高くなります。 しかし、摂氏約4度まで冷えると、実際にはわずかに膨張し始めます。 水は、その固体の形である氷が液体の形よりも密度が低いという点でかなり独特です。 そのため、一般的には冷えるにつれて密度が高くなりますが、ある時点でこの傾向は逆転し、摂氏0度の凝固点まで拡大し始めます。 これは、氷点下の湖で対流がどのように機能するかに影響します。
湖の水が冷えると、暖かい水が上がるにつれて沈みますが、湖全体が摂氏4度になるまでです。 この時点で対流が逆転します。摂氏4度よりも冷たい水は、より密度が低くなります。 暖かい水、つまり湖の上部は底や氷よりも冷たくなります フォーム。 これが、湖が最初に上で凍る理由です。
太陽対流
太陽（およびほとんどの星）は、より高温のプラズマとより低温のプラズマで内部対流を起こします。 外面から内側に伸びる太陽の対流層内では、熱エネルギーが対流を介して高温の太陽内部から低温の外部領域に運ばれます。
これにより、「対流セル、」これは、太陽の表面に見られる暗い斑点と明るい斑点です。 光点は、内部から上昇したばかりの高温プラズマの対流セルです。 ダークスポットは、冷却されたプラズマの対流セルであり、すぐに対流層を通って落下します。
これらの暗いスポットと明るいスポットは、ソーラーグラニュールと呼ばれることもあります。 それらは平均して直径約1,000km（カリフォルニア州の長さ）であり、表面にとどまるのは約8〜20分だけです。 いつでも、太陽の表面には約400万個の顆粒が含まれています！
対流の他の例
対流は、気象学や気象の研究において非常に重要です。 大気中の暖かくて冷たい空気の流れは、雷雨、竜巻、前線だけでなく、さまざまな形の雲を作り出すものです。
いくつか オーブン 対流で焼くことができます。 対流式オーブンは、ファンと排気システムを使用して、オーブンが焼ける間、オーブン内の空気を循環させ、食品全体に直接熱風を吹き付けます。 これにより、オーブンの発熱体の近くに単に置いた場合よりも、食品をより速く、より均一に調理することができます。 また、オーブンの内部が乾燥し、湿度が低くなるため、食品の焦げ目を付けるのに適しています。
地球の磁場は、その外核の対流によって引き起こされます。 地球の中心には、主に鉄とニッケルで構成される液体の外核に囲まれた、固体の内核があります。 これらの金属は両方とも優れた電気伝導体です。 この液体層の対流は、液体金属内に電流を生成し、それが磁場を生成します。 これらの磁場の合計が地球の磁場であり、すべてのコンパスを北極に向け、宇宙線から地球を保護します。