대류: 그것은 무엇이며 어떻게 작동합니까?

가장 기본적인 수준에서 열은 원자와 분자의 운동 에너지입니다. 대류는 집 난방에서 태양 내 열 전달 과정에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칩니다.

고체, 액체 또는 기체가 가열됨에 따라이를 구성하는 원자 또는 분자가 점점 더 진동합니다. 이러한 증가 된 진동은 각 원자 / 분자에 대해 더 많은 부피를 필요로합니다.

가스에서 이것은 "진동"이 아니라 입자의 속도 증가, 따라서 가스 용기의 압력 증가로 표현됩니다. 이러한 이유로 대부분의 재료는 넓히다 가열되면서. 이것은 가스에서 가장 많이 발생하지만 액체와 고체에서도 덜 발생합니다.

무언가가 확장되면 밀도가 낮아집니다. 이전보다 단위 부피당 입자 수가 적어 질량이 적습니다. 그러나 액체 및 기체 (유체)에서는 밀도가 낮은 영역이 중력의 영향으로 인해 밀도가 높은 영역 위로 올라와 떠있게됩니다. 열이 밀도를 감소시키고 유체가 밀도에 따라 상승 및 하강한다는이 두 가지 개념이 결합되어 열전달 현상 대류.

대류는 열 전달이 유체 운동을 통해 발생하는 열 에너지 전달 방법입니다. 이 유체 운동은 유체의 더 뜨거운 영역과 더 차가운 영역 사이의 밀도 차이로 인해 발생합니다. 이러한 동작을 대류 전류, 유체의 대류 운동은 지역 간 온도 차이가있는 한 계속됩니다.

이 온도 차이는 특히 방 바닥 근처의 히터와 같이 유체의 한쪽에 열원이있을 때 극명합니다. 바닥의 ​​따뜻한 공기는 지속적으로 위쪽으로 이동하고, 차가운 공기는 아래쪽으로 이동하여 가열 된 다음 위쪽으로 이동합니다. 공기의 이동은 공기가 평형 온도에 도달하지 않는 한 계속되는 순환 흐름을 일으 킵니다. 상온에서 물 한 잔은 일반적으로 대류를 가지지 않는 반면, 얼음이있는 물 한 잔은 대류를 가지게됩니다.

대류는 종종 이류와 확산이라는 두 가지 물리적 과정의 조합으로 설명됩니다. 이류 강의 흐름에 의한 강바닥 미사 이동과 같은 대량 운동에 의한 물질의 이동입니다. 확산 물 한 컵을 통해 확산되는 염료 입자의 이동과 같이 고농도 영역에서 저농도 영역으로 입자 운동에 의한 물질의 이동입니다.

대류는 더 뜨거운 물질은 더 높이, 더 차가운 물질은 더 낮게 움직이기 때문에 물질을 벌크 (이류)와 미립자 방식 (확산)으로 이동합니다.

대류는 고체 물질에서 유체 흐름을 생성 할 수 없기 때문에 정의에 따라 고체에서 발생할 수 없습니다 (입자가 서로에 대해 상대적으로 이동할 수 없지만 제자리에서 진동 만 할 수 있음). 고체의 열전달은 전도 또는 고체 결정의 한 원자 또는 분자에서 이웃으로 진동 에너지의 전달에 의해 대신 발생합니다. 입자가 서로 지나갈 수있는 부드러운 고체에는 몇 가지 예외가 있습니다.

대류를 염두에두면 집을 더 효율적으로 난방하거나 냉방하는 데 도움이됩니다. 더운 공기가 상승하는 경향이 있고 차가운 공기가 가라 앉는 경향이 있기 때문에 히터를 바닥에 더 가깝게 배치하고 에어컨을 더 높은 곳에 두는 것이 도움이됩니다.

천장 선풍기 일반적으로 두 방향으로 작동 할 수 있습니다. 위에서 아래로 공기를 불어 넣거나 아래에서 위로 불어 올립니다. 바람을 불어 넣는 것은 보통 여름에 도움이되므로 대류 바람이 피부를 식히는 것을 느낄 수 있습니다. 공기를 위로 끌어 올리는 것은 높은 뜨거운 공기를 직접 불지 않고 벽을 향해 아래로 밀어내는 데 도움이되므로 겨울에 도움이됩니다.

물이 식 으면 대부분의 다른 물질처럼 수축되고 밀도가 높아집니다. 그러나 섭씨 4도 정도로 식 으면 실제로 약간 팽창하기 시작합니다. 물은 고체 형태 인 얼음이 액체 형태보다 밀도가 낮다는 점에서 상당히 독특합니다. 따라서 일반적으로 냉각됨에 따라 밀도가 높아지지만 특정 지점에서이 추세가 반전되고 섭씨 0 도의 빙점까지 팽창하기 시작합니다. 이것은 얼어 붙은 호수에서 대류가 작동하는 방식에 영향을 미칩니다.

호수의 물이 식 으면서 따뜻한 물이 올라감에 따라 가라 앉지 만 전체 호수가 섭씨 4 도가 될 때까지만 가라 앉습니다. 이 시점에서 대류는 역전됩니다. 섭씨 4 도보 다 낮은 물은 밀도가 낮습니다. 따뜻한 물, 즉 호수의 윗부분이 바닥과 얼음보다 차가워지는 것을 의미합니다. 양식. 이것이 호수가 먼저 얼어 붙는 이유입니다.

태양 (대부분의 별들뿐만 아니라)은 더 뜨거운 플라즈마와 더 차가운 플라즈마로 내부 대류를 겪습니다. 외부 표면에서 안쪽으로 뻗어있는 태양의 대류 영역 내에서 열 에너지는 대류를 통해 뜨거운 태양 내부에서 더 차가운 외부 영역으로 전달됩니다.

이것은 "대류 세포, "는 태양 표면에서 볼 수있는 어둡고 밝은 얼룩입니다. 광점은 내부에서 방금 올라온 뜨거운 플라즈마의 대류 세포입니다. 어두운 반점은 냉각되어 곧 대류 영역을 통해 다시 떨어질 플라즈마의 대류 세포입니다.

이 어둡고 밝은 반점은 때때로 태양 과립이라고도합니다. 그들은 평균 직경이 약 1,000km (캘리포니아 주 길이)이며 약 8 ~ 20 분 동안 수면에 머물러 있습니다. 한 번에 태양 표면에는 약 400 만 개의 과립이 들어 있습니다!

대류는 기상학이나 날씨 연구에서 매우 중요합니다. 대기를 통한 따뜻하고 시원한 공기의 흐름은 뇌우, 토네이도 및 기상 전선뿐만 아니라 다양한 모양의 구름을 생성합니다.

약간 오븐 대류로 구울 수 있습니다. 컨벡션 오븐은 오븐이 굽는 동안 오븐 내부의 공기를 순환시켜 음식에 직접 뜨거운 공기를 불어 넣는 팬과 배기 시스템을 사용합니다. 이렇게하면 단순히 오븐의 가열 요소 근처에 놓았을 때보 다 음식을 더 빠르고 균일하게 요리 할 수 ​​있습니다. 또한 오븐 내부를 더 건조하고 습기가 적어 음식을 구울 때 더 좋습니다.

지구의 자기장은 외부 코어의 대류에 의해 발생합니다. 지구의 중심에는 대부분 철과 니켈로 구성된 액체 외부 코어로 둘러싸인 단단한 내부 코어가 있습니다. 이 두 금속은 모두 좋은 전기 전도체입니다. 이 액체 층의 대류는 액체 금속 내에 전류를 생성하여 자기장을 생성합니다. 이 자기장의 합은 지구의 자기장으로 모든 나침반이 북극을 가리키고 우주 방사선으로부터 지구를 보호합니다.