Convectie: wat is het en hoe werkt het?

Warmte, op het meest basale niveau, is de kinetische energie van atomen en moleculen. Convectie beïnvloedt alles, van de verwarming van uw huis tot het proces van warmteoverdracht in de zon.

Naarmate een vaste stof, vloeistof of gas wordt verwarmd, trillen de atomen of moleculen waaruit het bestaat steeds meer; deze verhoogde trillingen vereisen meer volume voor elk atoom/molecuul.

In een gas wordt dit niet uitgedrukt als een "vibratie", maar als een verhoogde snelheid voor de deeltjes, en dus een verhoogde druk op de houder van het gas. Om deze reden zijn de meeste materialen uitbreiden als ze worden opgewarmd. Dit gebeurt het meest in gassen, maar in mindere mate ook in vloeistoffen en vaste stoffen.

Wanneer iets uitzet, wordt het minder dicht; er zijn minder deeltjes, en dus minder massa, per volume-eenheid dan voorheen. Maar in vloeistoffen en gassen (vloeistoffen) zal onder invloed van de zwaartekracht een gebied met een lagere dichtheid stijgen en boven de gebieden met een hogere dichtheid drijven. Deze twee concepten, dat warmte een afname van de dichtheid veroorzaakt en dat vloeistoffen stijgen en dalen volgens de dichtheid, vormen samen de

Convectie is een methode van thermische energieoverdracht waarbij de overdracht van warmte plaatsvindt via vloeistofbeweging. Deze vloeistofbeweging wordt veroorzaakt door het verschil in dichtheid tussen de warmere gebieden van de vloeistof en koelere gebieden. Deze bewegingen worden genoemd convectiestromenen de convectieve beweging van vloeistof gaat door zolang er een temperatuurverschil is tussen regio's.

Dit temperatuurverschil is vooral groot wanneer er een warmtebron aan één kant van de vloeistof is, zoals een verwarming in de buurt van de vloer van een kamer. De warme lucht aan de onderkant beweegt continu naar boven, terwijl de koelere lucht naar beneden beweegt om te worden verwarmd en vervolgens ook naar boven gaat. De beweging van lucht veroorzaakt cirkelvormige stromen die zullen voortduren tenzij de lucht een evenwichtstemperatuur bereikt; een glas water op kamertemperatuur zal over het algemeen geen convectieve stroming hebben, terwijl een glas water met ijs erin convectieve stromingen zal hebben.

Convectie wordt vaak beschreven als een combinatie van twee fysieke processen: advectie en diffusie. Advectie is het transport van materie door bulkbeweging, zoals de beweging van rivierbeddingsslib door de stroming van de rivier. Diffusie is het transport van materie door deeltjesbeweging van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie, zoals de beweging van kleurstofdeeltjes die zich door een glas water verspreiden.

Omdat convectie warmere materie hoger en koelere materie lager verplaatst, gebeurt dit zowel door de materie in bulk (advectie) als in deeltjesvorm (diffusie) te verplaatsen.

Convectie kan per definitie niet voorkomen in vaste stoffen vanwege het onvermogen om vloeistofstroom in vaste stof te creëren (de deeltjes kunnen niet ten opzichte van elkaar bewegen, maar kunnen alleen ter plaatse trillen). Warmteoverdracht in vaste stoffen vindt plaats door geleiding, of de overdracht van trillingsenergie van een atoom of molecuul in een vast kristal naar zijn buren. Er zijn enkele uitzonderingen in zachte vaste stoffen waar de deeltjes langs elkaar kunnen bewegen.

Als u rekening houdt met convectie, kunt u uw huis efficiënter verwarmen of koelen. Aangezien warme lucht de neiging heeft op te stijgen en koele lucht de neiging heeft te zinken, helpt het om verwarmingen dichter bij de vloer en airconditioners hoger te plaatsen.

Plafondventilator kan meestal in beide richtingen werken: ofwel lucht van boven naar beneden blazen, of lucht van onder naar boven blazen. Lucht naar beneden blazen is meestal handig in de zomer, zodat u de convectieve bries voelt die uw huid verkoelt; lucht omhoog trekken is handig in de winter omdat het helpt om de hoge warme lucht naar beneden en naar de muren te duwen, zonder direct op je te blazen.

Als water afkoelt, trekt het samen en wordt het dichter zoals de meeste andere stoffen. Wanneer het echter afkoelt tot ongeveer 4 graden Celsius, begint het eigenlijk iets uit te zetten. Water is vrij uniek omdat zijn vaste vorm, ijs, minder dicht is dan zijn vloeibare vorm. Dus hoewel het over het algemeen dichter wordt naarmate het afkoelt, keert deze trend op een gegeven moment om en begint het uit te zetten tot het vriespunt bij 0 graden Celsius. Dit heeft een effect op hoe convectie werkt in een ijskoud meer.

Als water in een meer afkoelt, zakt het naarmate warmer water stijgt, maar alleen totdat het hele meer 4 graden Celsius is. Op dit punt keert de convectie om: het water dat koeler is dan 4 graden Celsius is minder dicht dan het warmere water, wat betekent dat het bovenste deel van het meer kouder wordt dan de bodem en ijs vormen. Dit is de reden waarom meren het eerst bovenop bevriezen.

De zon (evenals de meeste sterren) ondergaat interne convectie met heter plasma en koeler plasma. Binnen de convectiezone van de zon, die zich vanaf het buitenoppervlak naar binnen uitstrekt, wordt warmte-energie via convectiestromen van het hete binnenste van de zon naar de koelere buitengebieden gevoerd.

Dit creëert "convectiecellen', dit zijn de donkere en lichte vlekken die je op het oppervlak van de zon kunt zien. De lichtvlekken zijn convectiecellen van heet plasma dat net uit het binnenste is opgestegen; de donkere vlekken zijn van convectiecellen van plasma die zijn afgekoeld en spoedig door de convectiezone terugvallen.

Deze donkere en lichte vlekken worden ook wel zonnekorrels genoemd. Ze hebben een gemiddelde diameter van ongeveer 1.000 km (ongeveer de lengte van de staat Californië) en blijven slechts ongeveer acht tot twintig minuten aan de oppervlakte. Op elk moment bevat het oppervlak van de zon ongeveer vier miljoen korrels!

Convectie is uiterst belangrijk in de meteorologie of de studie van het weer. De stroom van warme en koele lucht door de atmosfeer zorgt voor verschillende vormen van wolken, maar ook voor onweersbuien, tornado's en weerfronten.

Sommige ovens kunnen bakken door convectie. Convectieovens gebruiken ventilatoren en een uitlaatsysteem die de lucht in de oven laten circuleren terwijl deze bakt, waarbij hete lucht direct over het voedsel wordt geblazen. Hierdoor kookt het voedsel sneller en gelijkmatiger dan wanneer het gewoon in de buurt van de verwarmingselementen van de oven zou worden geplaatst. Het maakt de binnenkant van de oven ook droger en minder vochtig, wat beter is voor het bruinen van voedsel.

Het magnetisch veld van de aarde wordt veroorzaakt door convectiestromen in de buitenste kern. In het centrum van de aarde bevindt zich een vaste binnenkern, omgeven door een vloeibare buitenkern die voornamelijk uit ijzer en nikkel bestaat. Beide metalen zijn goede geleiders van elektriciteit. De convectiestromen in deze vloeistoflaag creëren elektrische stromen in het vloeibare metaal, die magnetische velden creëren; de som van deze magnetische velden is het magnetische veld van de aarde, dat alle kompassen naar de Noordpool wijst en de aarde beschermt tegen kosmische straling.