Šiluma, pagrindiniu lygiu, yra kinų atomų ir molekulių energija. Konvekcija daro įtaką viskam, pradedant namų šildymu, baigiant šilumos perdavimo saulėje procesu.
Temperatūros ir tankio ryšys
Kai kietos, skystos ar dujos yra kaitinamos, ją sudarantys atomai ar molekulės vibruoja vis labiau; šios padidėjusios vibracijos reikalauja didesnio kiekvieno atomo / molekulės tūrio.
Dujose tai išreiškiama ne kaip „vibracija“, bet kaip padidėjęs dalelių greitis, todėl padidėjęs slėgis dujų talpykloje. Dėl šios priežasties dauguma medžiagų plėstis kaip jie yra įkaitę. Tai daugiausia vyksta dujose, bet mažiau - ir skysčiuose bei kietosiose dalyse.
Kai kažkas išsiplečia, jis tampa mažiau tankus; tūrio vienete yra mažiau dalelių, taigi ir mažiau masės, nei buvo anksčiau. Tačiau skysčiuose ir dujose (skysčiuose) dėl gravitacijos įtakos mažesnio tankio sritis pakils ir plūduriuos virš didesnio tankio regionų. Šios dvi sąvokos, kad šiluma sumažina tankį, o skysčiai kyla ir krinta pagal tankį, kartu sukuria šilumos perdavimo reiškinys konvekcijos.
Konvekcijos apibrėžimas
Konvekcija yra šiluminės energijos perdavimo metodas, kai šiluma perduodama skysčio judesiu. Šį skysčio judėjimą lemia tankio skirtumas tarp karštesnių skysčio ir vėsesnio regionų. Šie judesiai vadinami konvekcinės srovės, o konvekcinis skysčio judėjimas tęsiasi tol, kol tarp regionų yra temperatūrų skirtumas.
Šis temperatūrų skirtumas ypač didelis, kai vienoje skysčio pusėje yra šilumos šaltinis, pavyzdžiui, šildytuvas šalia patalpos grindų. Šiltas oras apačioje nuolat juda aukštyn, o vėsesnis oras juda žemyn, kad būtų pašildytas, o vėliau - ir aukštyn. Oro judėjimas sukelia žiedines sroves, kurios tęsis, nebent oras pasieks pusiausvyros temperatūrą; stikline vandens kambario temperatūroje paprastai nebus konvekcinių srovių, o stiklinėje vandens su ledu - konvekcinės srovės.
Konvekcija dažnai apibūdinama kaip dviejų fizinių procesų derinys: advekcija ir difuzija. Advekcija yra medžiagos gabenimas biriais judesiais, pavyzdžiui, upės vagos dumblo judėjimas upės tėkme. Difuzija yra medžiagos gabenimas dalelių judesiu iš didelės koncentracijos zonos į mažos koncentracijos zoną, pavyzdžiui, dažų dalelių judėjimas, pasklidęs per stiklinę vandens.
Kai konvekcija karštąją medžiagą perkelia aukščiau, o šaltesnė - žemiau, ji tai daro tiek judindama medžiagą urmu (advekcija), tiek dalelių būdu (difuzija).
Konvekcija pagal apibrėžimą negali įvykti kietosiose dalyse, nes nesugeba sukurti skysčio srauto kietosiose medžiagose (dalelės negali judėti viena kitos atžvilgiu, o gali vibruoti tik vietoje). Šiluma kietosiose dalyse vyksta laidumo būdu arba perduodant vibracijos energiją iš vieno atomo ar molekulės kietajame kristale kaimynams. Yra keletas išimčių dėl minkštųjų kietųjų dalelių, kur dalelės gali judėti viena pro kitą.
Jūsų namo šildymas ir vėsinimas
Turint omenyje konvekciją, galite efektyviau šildyti ar vėsinti namus. Kadangi karštas oras linkęs kilti, o vėsus - skęsti, tai padeda šildytuvus priartinti prie grindų, o oro kondicionierius - aukščiau.
Lubų ventiliatoriai paprastai gali veikti abiem kryptimis: arba pūsti orą žemyn iš viršaus, arba pūsti orą iš apačios. Oro pūtimas paprastai yra naudingas vasarą, todėl jaučiate, kad konvektyvus vėjelis vėsina odą; oro ištraukimas į viršų yra naudingas žiemą, nes jis padeda aukštą aukštą orą stumti žemyn ir į sienų pusę, nepūsdamas tiesiai į tave.
Užšalęs ežeras
Vandeniui atvėsus, jis susitraukia ir tampa tankesnis, kaip ir dauguma kitų medžiagų. Tačiau atvėsus iki maždaug 4 laipsnių Celsijaus, jis iš tikrųjų pradeda nežymiai plėstis. Vanduo yra gana unikalus tuo, kad jo kieta forma - ledas - yra mažiau tanki nei skysta. Taigi nors atvėsęs paprastai tampa tankesnis, tam tikru momentu ši tendencija pasikeičia ir ji pradeda plėstis iki užšalimo 0 laipsnių Celsijaus temperatūros. Tai turi įtakos konvekcijos veikimui užšąlančiame ežere.
Kai vanduo ežere atvėsta, jis skęsta kylant šiltesniam vandeniui, bet tik tol, kol visame ežere bus 4 laipsniai šilumos. Šiuo metu konvekcija pasikeičia: Vėsesnis nei 4 laipsniai Celsijaus vanduo yra mažiau tankus nei šiltesnis vanduo, vadinasi, viršutinė ežero dalis tampa šaltesnė už dugną ir ledą formos. Štai kodėl ežerai pirmiausia užšąla viršuje.
Saulės konvekcija
Saulė (kaip ir dauguma žvaigždžių) patiria vidinę konvekciją su karštesne ir vėsesne plazma. Saulės konvekcijos zonoje, besitęsiančioje nuo išorinio paviršiaus, šilumos energija konvekcinėmis srovėmis perduodama iš karšto saulės vidaus į vėsesnius išorinius regionus.
Tai sukuria "konvekcinės ląstelės", tai yra tamsios ir šviesios dėmės, kurias galite pamatyti Saulės paviršiuje. Šviesos dėmės yra karštos plazmos konvekcinės ląstelės, ką tik iškilusios iš vidaus; tamsios dėmės yra plazmos konvekcinių ląstelių, kurios atvėso ir netrukus vėl nukris žemyn per konvekcijos zoną.
Šios tamsios ir šviesios dėmės taip pat kartais vadinamos saulės granulėmis. Jie vidutiniškai siekia apie 1 000 km skersmens (maždaug per Kalifornijos valstijos ilgį) ir išlieka paviršiuje tik apie aštuonias - 20 minučių. Vienu metu Saulės paviršiuje yra apie keturis milijonus granulių!
Kiti konvekcijos pavyzdžiai
Konvekcija yra ypač svarbi meteorologijoje ar orų tyrime. Šilto ir šalto oro srautas per atmosferą sukuria skirtingas debesų formas, taip pat griaustinius, viesulus ir orų frontus.
Kai kurie krosnys sugeba kepti konvekciniu būdu. Konvekcinėse krosnyse naudojami ventiliatoriai ir išmetimo sistema, cirkuliuojanti orą orkaitėje, kol ji kepa, pučiant karštą orą tiesiai per maistą. Tai leidžia maistui iškepti greičiau ir tolygiau nei tuo atveju, jei jis būtų tiesiog padėtas šalia orkaitės kaitinimo elementų. Taip pat orkaitės vidus tampa sausesnis ir mažiau drėgnas, o tai gali būti naudingesnė maistui paruduoti.
Žemės magnetinį lauką sukelia konvekcinės srovės jos išorinėje šerdyje. Žemės centre yra tvirta vidinė šerdis, kurią supa skysta išorinė šerdis, kurią daugiausia sudaro geležis ir nikelis. Abu šie metalai yra geri elektros laidininkai. Konvekcinės srovės šiame skystame sluoksnyje sukuria skystame metale elektros sroves, kurios sukuria magnetinius laukus; šių magnetinių laukų suma yra Žemės magnetinis laukas, nukreipiantis visus kompasus į Šiaurės ašigalį ir apsaugantis Žemę nuo kosminės spinduliuotės.