კონვექცია: რა არის ეს და როგორ მუშაობს?

სითბო, ყველაზე მთავარ დონეზე, არის ატომებისა და მოლეკულების კინეტიკური ენერგია. კონვექცია გავლენას ახდენს ყველაფერზე, თქვენი სახლის გათბობით, მზის სითბოს გადატანის პროცესამდე.

მყარი, სითხის ან გაზის გახურებისას, ატომები ან მოლეკულები, რომლებიც მასში შედიან, სულ უფრო და უფრო ვიბრირებენ; ამ მომატებულ ვიბრაციებს უფრო მეტი მოცულობა სჭირდება თითოეული ატომის / მოლეკულისთვის.

გაზში ეს გამოიხატება არა როგორც "ვიბრაცია", არამედ ნაწილაკების გაზრდილი სიჩქარე და, შესაბამისად, გაზის კონტეინერზე გაზრდილი ზეწოლა. ამ მიზეზით, უმეტესობა მასალა გაფართოება როგორც ისინი თბებიან. ეს ხდება მაქსიმალურად გაზებში, მაგრამ ნაკლებად - სითხეებსა და მყარ ნივთიერებებშიც.

როდესაც რაღაც ფართოვდება, ის ნაკლებად მკვრივი ხდება; ნაკლებია ნაწილაკები და, შესაბამისად, ნაკლები მასა ერთეულ მოცულობაზე, ვიდრე ადრე იყო. სითხეებსა და გაზებში (სითხეებში), სიმძიმის ზემოქმედების გამო, ქვედა სიმკვრივის რეგიონი მოიმატებს და უფრო მაღალი სიმკვრივის რეგიონებზე ათწილადი. ეს ორი ცნება, რომ სითბო იწვევს სიმკვრივის შემცირებას და სითხეები იზრდება და ეცემა სიმკვრივის შესაბამისად, აერთიანებს და ქმნის

კონვექცია არის თერმული ენერგიის გადაცემის მეთოდი, როდესაც სითბოს გადაცემა ხდება სითხის მოძრაობით. ეს სითხის მოძრაობა გამოწვეულია სიმკვრივის სხვაობით სითხისა და გაგრილების რეგიონების ცხელ რეგიონებს შორის. ამ მოძრაობებს ეწოდება კონვექციური დენებისაგან, და სითხის კონვექციური მოძრაობა გრძელდება მანამ, სანამ რეგიონებს შორის ტემპერატურული სხვაობაა.

ეს ტემპერატურის სხვაობა განსაკუთრებით მკვეთრია, როდესაც სითხის ერთ მხარეს არის სითბოს წყარო, მაგალითად გამათბობელი ოთახის იატაკთან ახლოს. ქვედა ნაწილში თბილი ჰაერი განუწყვეტლივ მოძრაობს ზემოთ, ხოლო გამაგრილებელი ჰაერი ქვევით მოძრაობს, რომ გაცხელდეს და შემდეგ ასევე მოძრაობს ზემოთ. ჰაერის მოძრაობა იწვევს წრიულ დენებს, რომლებიც გაგრძელდება მანამ, სანამ ჰაერი წონასწორობის ტემპერატურას არ მიაღწევს; ოთახის ტემპერატურაზე ჭიქა წყალი ზოგადად არ ექნება კონვექციური დენები, ხოლო ჭიქა წყალში ყინულით ექნება კონვექციური დენები.

კონვექცია ხშირად აღწერილია, როგორც ორი ფიზიკური პროცესის კომბინაცია: ადვექცია და დიფუზია. ადვოკატირება არის მატერიის ტრანსპორტირება ნაყარი მოძრაობით, მაგალითად, მდინარის კალაპოტის სილის მოძრაობა მდინარის დინებით. დიფუზია არის ნივთიერების ტრანსპორტირება ნაწილაკების მოძრაობით მაღალი კონცენტრაციის უბნიდან დაბალი კონცენტრაციის არეალამდე, მაგალითად, საღებავის ნაწილაკების მოძრაობა ჭიქა წყლის მეშვეობით.

როგორც კონვექცია უფრო ცხელი მატერია მაღლა და უფრო მაგარი მატერია უფრო დაბლა მიდის, იგი ამას აკეთებს როგორც მატერიის ნაყარი გადაადგილებით (ადვექციით), ისე ნაწილაკების გზით (დიფუზია).

კონვექცია, განსაზღვრებით, არ შეიძლება მოხდეს მყარ ნივთიერებებში მყარი ნივთიერებების სითხის ნაკადის შექმნის შეუძლებლობის გამო (ნაწილაკები ვერ გადაადგილდებიან ერთმანეთთან შედარებით, მაგრამ შეუძლიათ მხოლოდ ვიბრაცია ადგილზე). მყარი სითხის გადაცემა ხდება ნაცვლად გამტარობით, ან ვიბრაციული ენერგიის მყარი ბროლის ერთი ატომიდან ან მოლეკულადან მისი მეზობლებისკენ გადაადგილებით. ამის გამონაკლისები არსებობს რბილ მყარ ნივთიერებებში, სადაც ნაწილაკებს ერთმანეთის გადაადგილება შეუძლიათ.

კონვექციის გათვალისწინებით, თქვენი სახლის გათბობა ან გაგრილება დაგეხმარებათ ეფექტურად. მას შემდეგ, რაც ცხელი ჰაერი იზრდება და გრილი ჰაერი იძირება, ეს ხელს უწყობს გამათბობლების იატაკთან მიახლოებას, ხოლო კონდიციონერების მაღლა აწევას.

ჭერის ფანები ჩვეულებრივ შეუძლია ორივე მიმართულებით იმუშაოს: ან ზემოდან ჰაერის აფეთქება, ან ქვემოდან ჰაერის აფეთქება. ჩვეულებრივ, ზაფხულში ჰაერის აფეთქება სასარგებლოა, ასე რომ გრძნობთ, რომ კონვექციური ნიავი აციებს კანს; ჰაერის აწევა ზამთარში სასარგებლოა, რადგან ის ხელს უწყობს მაღალი ცხელი ჰაერის კედლებისკენ და მიზიდვას პირდაპირ თქვენზე აფეთქების გარეშე.

წყალი კლებულობს, ის იკუმშება და ხდება უფრო მკვრივი, როგორც სხვა ნივთიერებების უმეტესობა. ამასთან, როდესაც ის გაცივდება დაახლოებით 4 გრადუს ცელსიუსამდე, ის რეალურად იწყებს ოდნავ გაფართოებას. წყალი საკმაოდ უნიკალურია იმით, რომ მისი მყარი ფორმა, ყინული, ნაკლებად მკვრივია, ვიდრე მისი თხევადი ფორმა. ასე რომ, მიუხედავად იმისა, რომ იგი ზოგადად უფრო მკვრივი ხდება გაცივებისთანავე, გარკვეულ მომენტში ეს ტენდენცია შებრუნდება და ის იწყებს გაფართოებას მისი გაყინვის წერტილამდე 0 გრადუს ცელსიუსამდე. ეს გავლენას ახდენს იმაზე, თუ როგორ მუშაობს კონვექცია გაყინულ ტბაში.

ტბაში წყლის გაცივებისთანავე ის იძირება, როდესაც თბილი წყალი იზრდება, მაგრამ მხოლოდ მანამ, სანამ მთელი ტბა არ გახდება 4 გრადუსი ცელსიუსით. ამ ეტაპზე კონვექცია შებრუნდება: წყალი, რომელიც 4 გრადუს ცელსიუსზე უფრო მაგარია, ნაკლებად მკვრივია, ვიდრე უფრო თბილი წყალი, რაც ნიშნავს, რომ ტბის ზედა ნაწილი უფრო ცივი ხდება, ვიდრე ფსკერი და ყინული ფორმები. ამიტომ ტბები ჯერ თავზე იყინება.

მზე (ისევე როგორც ვარსკვლავების უმეტესობა) განიცდის შინაგან კონვექციას უფრო ცხელ პლაზმასთან და გაგრილებულ პლაზმასთან. მზის კონვექციური ზონის შიგნით, რომელიც გადაჭიმულია შიგნიდან მისი გარე ზედაპირიდან, სითბოს ენერგია ცხელი მზის ინტერიერიდან გაცივებულ გარე რეგიონებში გადაიტანება კონვექციური დენების მეშვეობით.

ეს ქმნის "კონვექციური უჯრედები, "რომლებიც არის მუქი და მსუბუქი ლაქები, რომელთა დანახვა შეგიძლიათ მზის ზედაპირზე. სინათლის ლაქები ცხელი პლაზმის კონვექციური უჯრედებია, რომლებიც ინტერიერიდან ახლახანს ამოვიდა; მუქი ლაქები არის პლაზმის კონვექციური უჯრედები, რომლებიც გაცივდა და მალე ჩამობრუნდება კონვექციური ზონის გავლით.

ამ მუქ და მსუბუქ ლაქებს ზოგჯერ მზის გრანულებსაც უწოდებენ. ისინი საშუალოდ დაახლოებით 1000 კმ დიამეტრით (დაახლოებით კალიფორნიის შტატის სიგრძე) და ზედაპირზე რჩებიან მხოლოდ დაახლოებით რვადან 20 წუთის განმავლობაში. ნებისმიერ დროს, მზის ზედაპირი შეიცავს დაახლოებით ოთხ მილიონ გრანულს!

კონვექცია ძალზე მნიშვნელოვანია მეტეოროლოგიაში ან ამინდის შესწავლაში. ატმოსფეროში თბილი და გრილი ჰაერის ნაკადი ქმნის სხვადასხვა ფორმის ღრუბლებს, ასევე ელჭექებს, ტორნადოებსა და ამინდის ფრონტებს.

Ზოგიერთი ღუმელები შეუძლიათ ცხობა კონვექციით. კონვექციური ღუმელები იყენებენ გულშემატკივრებსა და გამონაბოლქვის სისტემას, რომლებიც ავრცელებენ ჰაერს ღუმელში, როდესაც ის ცხვება, ცხელი ჰაერი პირდაპირ საჭმელზე გადადის. ეს საშუალებას აძლევს საჭმელს უფრო სწრაფად და თანაბრად მოამზადოს, ვიდრე ეს მოხდებოდა ღუმელის გამათბობელ ელემენტებთან ახლოს. ეს ასევე ხდის ღუმელის ინტერიერს უფრო მშრალ და ნაკლებად ნესტიან, რაც შეიძლება უკეთესი იყოს საჭმლის მოყავისფროდ.

დედამიწის მაგნიტური ველი გამოწვეულია მის გარე ბირთვში კონვექციური დენებით. დედამიწის ცენტრში არის მყარი შიდა ბირთვი, გარშემორტყმული თხევადი გარე ბირთვით, რომელიც ძირითადად შედგება რკინისა და ნიკელისგან. ორივე ეს ლითონი ელექტროენერგიის კარგი გამტარია. ამ თხევად შრეში კონვექციური დენები ქმნიან ელექტრულ დენებს თხევადი ლითონის შიგნით, რომლებიც ქმნიან მაგნიტურ ველებს; ამ მაგნიტური ველების ჯამი არის დედამიწის მაგნიტური ველი, რომელიც ყველა კომპასს ჩრდილოეთ პოლუსისკენ მიმართავს და იცავს დედამიწას კოსმოსური გამოსხივებისგან.