Siltums visvienkāršākajā līmenī ir atomu un molekulu kinētiskā enerģija. Konvekcija ietekmē visu, sākot no jūsu mājas apkures līdz siltuma pārneses procesam saulē.
Temperatūras un blīvuma saistība
Kad cieta viela, šķidrums vai gāze tiek uzkarsēta, to saturošie atomi vai molekulas vibrē arvien vairāk; šīs paaugstinātās vibrācijas prasa lielāku atomu / molekulu tilpumu.
Gāzē tas tiek izteikts nevis kā "vibrācija", bet kā palielināts daļiņu ātrums un līdz ar to paaugstināts spiediens uz gāzes tvertni. Šī iemesla dēļ lielākā daļa materiālu paplašināties kad tie tiek sasildīti. Tas notiek vislielākajā mērā gāzēs, bet mazākā mērā arī šķidrumos un cietās daļās.
Kad kaut kas izplešas, tas kļūst mazāk blīvs; uz tilpuma vienību ir mazāk daļiņu un līdz ar to mazāk masas nekā bija iepriekš. Bet šķidrumos un gāzēs (šķidrumos) zemāka blīvuma reģions gravitācijas ietekmē paaugstināsies un peldēs virs augstāka blīvuma reģioniem. Šie divi jēdzieni, ka siltums izraisa blīvuma samazināšanos un šķidrumi pieaug un krīt atbilstoši blīvumam, apvienojas, lai izveidotu siltuma pārneses parādība konvekcijas.
Konvekcijas definīcija
Konvekcija ir siltumenerģijas pārneses metode, kur siltuma pārnese notiek ar šķidruma kustību. Šo šķidruma kustību izraisa blīvuma atšķirība starp šķidruma karstākiem un vēsākiem reģioniem. Šīs kustības tiek sauktas konvekcijas strāvas, un šķidruma konvekcijas kustība turpinās, kamēr starp reģioniem pastāv temperatūras atšķirība.
Šī temperatūras starpība ir īpaši izteikta, ja vienā šķidruma pusē ir siltuma avots, piemēram, sildītājs istabas grīdas tuvumā. Apakšā esošais siltais gaiss nepārtraukti virzās uz augšu, bet vēsāks gaiss virzās uz leju, lai to sasildītu, un pēc tam arī uz augšu. Gaisa kustība izraisa apļveida strāvas, kas turpināsies, ja vien gaiss nesasniegs līdzsvara temperatūru; glāzē ūdens istabas temperatūrā parasti nebūs konvekcijas strāvas, savukārt glāzē ūdens ar ledu tajā būs konvekcijas strāvas.
Konvekciju bieži raksturo kā divu fizisku procesu kombināciju: advekciju un difūziju. Advekcija ir vielas pārvadāšana ar beztaras kustību, piemēram, upes gultnes dūņu pārvietošanās pa upes plūsmu. Difūzija ir vielas transportēšana ar daļiņu kustību no augstas koncentrācijas zonas līdz zemas koncentrācijas zonai, piemēram, krāsas daļiņu kustībai, kas izplatās pa ūdens glāzi.
Kad konvekcija pārvieto karstāko vielu augstāk un vēsāku vielu zemāk, tā to dara, gan pārvietojot vielu lielapjomā (advekcija), gan daļiņu veidā (difūzija).
Konvekcija pēc definīcijas nevar notikt cietās daļās, jo tā nespēj radīt šķidruma plūsmu cietā vielā (daļiņas nevar pārvietoties viena otrai, bet var tikai vibrēt vietā). Siltuma pārnešana cietās daļās notiek tā vietā, veicot vadību vai vibrācijas enerģijas pārnešanu no viena cietā kristāla atoma vai molekulas uz kaimiņiem. Šajā gadījumā ir daži izņēmumi mīkstās cietās daļās, kur daļiņas var pārvietoties garām viena otrai.
Jūsu mājas apkure un dzesēšana
Paturot prātā konvekciju, jūs varat efektīvāk sildīt vai atdzesēt māju. Tā kā karstajam gaisam ir tendence pieaugt, un vēsam gaisam ir tendence grimt, tas palīdz sildītājus novietot tuvāk grīdai un gaisa kondicionierus augstāk.
Griestu ventilatori parasti var darboties abos virzienos: vai nu pūst gaisu uz leju no augšas, vai pūst gaisu uz augšu no apakšas. Gaisa izpūšana parasti ir noderīga vasarā, tāpēc jūtat, ka konvektīvā brīze atvēsina ādu; gaisa vilkšana uz augšu ir noderīga ziemā, jo tā palīdz uzspiest karsto gaisu uz leju un āru pret sienām, nepūšot tieši uz jums.
Sasalstošs ezers
Ūdenim atdziestot, tas saraujas un kļūst blīvāks kā vairums citu vielu. Tomēr, kad tas atdziest līdz aptuveni 4 grādiem pēc Celsija, tas faktiski sāk nedaudz paplašināties. Ūdens ir diezgan unikāls ar to, ka tā cietā forma, ledus, ir mazāk blīva nekā šķidrā. Tātad, lai gan tas atdziestot parasti kļūst arvien blīvāks, noteiktā brīdī šī tendence mainās, un tā sāk paplašināties līdz sasalšanas temperatūrai 0 grādos pēc Celsija. Tas ietekmē konvekcijas darbību sasalšanas ezerā.
Kad ūdens ezerā atdziest, tas grimst, pieaugot siltākam ūdenim, bet tikai līdz brīdim, kad visā ezerā ir 4 grādi pēc Celsija. Šajā brīdī konvekcija mainās: ūdens, kas ir vēsāks par 4 grādiem pēc Celsija, ir mazāk blīvs nekā siltāks ūdens, kas nozīmē, ka ezera augšējā daļa kļūst vēsāka nekā dibens un ledus formas. Tāpēc ezeri vispirms sasalst virsū.
Saules konvekcija
Saule (kā arī lielākā daļa zvaigžņu) iziet iekšēju konvekciju ar karstāku plazmu un vēsāku plazmu. Saules konvekcijas zonā, kas stiepjas uz iekšu no tās ārējās virsmas, siltuma enerģija no konvekcijas strāvām tiek nogādāta no karstā saules iekšpuses uz vēsākiem ārējiem rajoniem.
Tas radakonvekcijas šūnas", kas ir tumšās un gaišās plankumi, kurus jūs varat redzēt uz Saules virsmas. Gaismas plankumi ir karstas plazmas konvekcijas šūnas, kas tikko cēlušās no interjera; tumšie plankumi ir plazmas konvekcijas šūnām, kas ir atdzisušas un drīz atgriezīsies lejup pa konvekcijas zonu.
Šos tumšos un gaišos plankumus dažkārt sauc arī par saules granulām. To vidējais diametrs ir aptuveni 1000 km (apmēram Kalifornijas štata garumā) un virsū uzturas tikai apmēram astoņas līdz 20 minūtes. Vienlaikus Saules virsma satur apmēram četrus miljonus granulu!
Citi konvekcijas piemēri
Konvekcija ir ārkārtīgi svarīga meteoroloģijā vai laika apstākļu izpētē. Silta un vēsa gaisa plūsma caur atmosfēru ir tas, kas rada dažādas mākoņu formas, kā arī pērkona negaisus, viesuļvētras un laika apstākļu frontes.
Daži krāsnis spēj cept konvekcijas ceļā. Konvekcijas krāsnīs tiek izmantoti ventilatori un izplūdes sistēma, kas cepšanas laikā cirkulē gaisā krāsns iekšpusē, karstu gaisu iepūšot tieši pār ēdienu. Tas ļauj ēdienam gatavoties ātrāk un vienmērīgāk, nekā tas būtu, ja to vienkārši novietotu pie krāsns sildelementiem. Tas arī padara krāsns interjeru sausāku un mazāk mitru, kas var būt labāks ēdiena brūnināšanai.
Zemes magnētisko lauku izraisa konvekcijas strāvas tās ārējā kodolā. Zemes centrā ir ciets iekšējais kodols, ko ieskauj šķidrs ārējais kodols, kas galvenokārt sastāv no dzelzs un niķeļa. Abi šie metāli ir labi elektrības vadītāji. Konvekcijas strāvas šajā šķidrajā slānī šķidrā metāla iekšpusē rada elektriskās strāvas, kas rada magnētiskos laukus; šo magnētisko lauku summa ir Zemes magnētiskais lauks, kas visus kompasus norāda uz ziemeļpolu un aizsargā Zemi no kosmiskā starojuma.
