Konveksjon: Hva er det og hvordan fungerer det?

Varme, på det mest grunnleggende nivået, er den kinetiske energien til atomer og molekyler. Konveksjon påvirker alt fra oppvarming av huset ditt, til prosessen med varmeoverføring i solen.

Når et fast stoff, væske eller gass blir oppvarmet, vibrerer atomene eller molekylene som utgjør det mer og mer; disse økte vibrasjonene krever mer volum for hvert atom / molekyl.

I en gass uttrykkes dette ikke som en "vibrasjon", men som en økt hastighet for partiklene, og derfor et økt trykk på gassens beholder. Av denne grunn, de fleste materialer utvide når de blir varmet opp. Dette skjer i størst grad i gasser, men i mindre grad også i væsker og faste stoffer.

Når noe utvides, blir det mindre tett; det er færre partikler, og derfor mindre masse, per volumsenhet enn det var før. Men i væsker og gasser (væsker) vil et område med lavere tetthet stige og flyte over regionene med høyere tetthet på grunn av tyngdekraftens innflytelse. Disse to begrepene, at varme forårsaker en reduksjon i tetthet og at væsker stiger og faller i henhold til tetthet, kombinerer for å skape

Konveksjon er en metode for termisk energioverføring der overføring av varme skjer via væskebevegelse. Denne væskebevegelsen er forårsaket av forskjellen i tetthet mellom varmere regioner i væske og kjøligere regioner. Disse bevegelsene kalles konveksjonsstrømmer, og den konvektive bevegelsen av væske fortsetter så lenge det er en temperaturforskjell mellom regionene.

Denne temperaturforskjellen er spesielt sterk når det er en varmekilde på den ene siden av væsken, for eksempel en varmeapparat nær gulvet i et rom. Den varme luften i bunnen beveger seg kontinuerlig oppover, mens den kjøligere luften beveger seg nedover for å bli oppvarmet og deretter deretter beveger seg oppover. Bevegelse av luft forårsaker sirkulære strømmer som vil fortsette med mindre luften når en likevektstemperatur; et glass vann ved romtemperatur vil vanligvis ikke ha konvektive strømmer, mens et glass vann med is i vil ha konvektive strømmer.

Konveksjon blir ofte beskrevet som en kombinasjon av to fysiske prosesser: adveksjon og diffusjon. Advection er transport av materie ved bulkbevegelse, for eksempel bevegelse av elvesengesilt ved strømmen av elven. Spredning er transport av materie ved partikkelbevegelse fra et område med høy konsentrasjon til et område med lav konsentrasjon, slik som bevegelse av fargestoffpartikler som sprer seg gjennom et glass vann.

Når konveksjon beveger seg varmere materie høyere og kjøligere materie lavere, gjør den det både ved å flytte saken i bulk (adveksjon) og på en partikkelformet måte (diffusjon).

Konveksjon kan per definisjon ikke forekomme i faste stoffer på grunn av manglende evne til å skape flyt i fast stoff (partiklene kan ikke bevege seg i forhold til hverandre, men kan bare vibrere på plass). Varmeoverføring i faste stoffer skjer i stedet ved ledning, eller overføring av vibrasjonsenergi fra ett atom eller molekyl i en solid krystall til naboene. Det er noen unntak fra dette i myke faste stoffer hvor partiklene kan bevege seg forbi hverandre.

Å huske konveksjon kan hjelpe deg med å varme opp eller kjøle huset mer effektivt. Siden varm luft har en tendens til å stige, og kjølig luft har en tendens til å synke, hjelper det å sette varmeovner nærmere gulvet og klimaanlegg høyere opp.

Takvifter kan vanligvis operere i begge retninger: enten blåser luft ned ovenfra, eller blåser luft opp nedenfra. Å blåse luft ned er vanligvis nyttig om sommeren, slik at du føler at den konvektive brisen kjøler huden din; å trekke luft opp er nyttig om vinteren fordi det hjelper å skyve den høye varme luften ned og ut mot veggene, uten å blåse direkte på deg.

Når vannet avkjøles, trekker det seg sammen og blir tettere som de fleste andre stoffer. Men når det avkjøles til omtrent 4 grader Celsius, begynner det faktisk å utvide seg litt. Vann er ganske unikt ved at dets faste form, is, er mindre tett enn flytende form. Så selv om det generelt blir tettere når det avkjøles, reverserer denne trenden på et bestemt tidspunkt, og den begynner å utvide seg til frysepunktet ved 0 grader Celsius. Dette har en innvirkning på hvordan konveksjon fungerer i en frysende innsjø.

Når vann i en innsjø avkjøles, synker det når varmere vann stiger, men bare til hele innsjøen er 4 grader Celsius. På dette tidspunktet reverserer konveksjonen: Vannet som er kjøligere enn 4 grader Celsius er mindre tett enn det varmere vannet, noe som betyr at den øverste delen av innsjøen blir kaldere enn bunnen og isen skjemaer. Dette er grunnen til at innsjøene fryser på toppen først.

Solen (så vel som de fleste stjerner) gjennomgår intern konveksjon med varmere plasma og kjøligere plasma. Innenfor solens konveksjonssone, som strekker seg innover fra sin ytre overflate, blir varmeenergi ført fra det varme solinnvendig til de kjøligere ytre områdene via konveksjonsstrømmer.

Dette skaper "konveksjonsceller, "som er de mørke og lyse flekkene du kan se på solens overflate. Lyspunktene er konveksjonsceller av varmt plasma som nettopp har steget fra det indre; de mørke flekkene er av konveksjonsceller i plasma som har avkjølt og vil snart falle ned igjen gjennom konveksjonssonen.

Disse mørke og lyse flekkene kalles også noen ganger solkorn. De har en gjennomsnittlig diameter på omtrent 1000 km (omtrent lengden på delstaten California) og holder seg på overflaten i bare omtrent åtte til 20 minutter. Når som helst inneholder solens overflate omtrent fire millioner granuler!

Konveksjon er ekstremt viktig i meteorologi eller studiet av vær. Strømmen av varm og kjølig luft gjennom atmosfæren er det som skaper forskjellige former for skyer, samt tordenvær, tornadoer og værfronter.

Noen ovner er i stand til å bake ved konveksjon. Konveksjonsovner bruker vifter og et eksosanlegg som sirkulerer luften inne i ovnen mens den baker, og blåser varm luft rett over maten. Dette gjør at maten kan koke raskere og jevnere enn den ville gjort hvis den bare ble plassert nær ovnens varmeelementer. Det gjør også det indre av ovnen tørrere og mindre fuktig, noe som kan være bedre for bruning av mat.

Jordens magnetfelt er forårsaket av konveksjonsstrømmer i den ytre kjernen. I midten av jorden er en solid indre kjerne, omgitt av en flytende ytre kjerne som hovedsakelig består av jern og nikkel. Begge disse metallene er gode ledere av elektrisitet. Konveksjonsstrømmene i dette flytende laget skaper elektriske strømmer i det flytende metallet, som danner magnetfelt; summen av disse magnetfeltene er jordens magnetfelt, som peker alle kompassene mot Nordpolen og beskytter jorden mot kosmisk stråling.