Konwekcja: co to jest i jak działa?

Ciepło na najbardziej podstawowym poziomie to energia kinetyczna atomów i cząsteczek. Konwekcja wpływa na wszystko, od ogrzewania domu po proces wymiany ciepła w słońcu.

Gdy ciało stałe, ciecz lub gaz są ogrzewane, atomy lub cząsteczki, które je tworzą, wibrują coraz bardziej; te zwiększone wibracje wymagają większej objętości dla każdego atomu/cząsteczki.

W gazie nie wyraża się to jako „wibracja”, ale jako zwiększona prędkość cząstek, a zatem zwiększone ciśnienie na zbiorniku gazu. Z tego powodu większość materiałów rozszerzać jak są rozgrzane. Dzieje się tak w największym stopniu w gazach, ale w mniejszym stopniu w cieczach i ciałach stałych.

Kiedy coś się rozszerza, staje się mniej gęste; jest mniej cząstek, a zatem mniej masy na jednostkę objętości niż wcześniej. Ale w cieczach i gazach (cieczy) obszar o mniejszej gęstości unosi się i unosi nad obszarami o większej gęstości z powodu wpływu grawitacji. Te dwie koncepcje, zgodnie z którymi ciepło powoduje spadek gęstości oraz że płyny unoszą się i opadają zgodnie z gęstością, łączą się, tworząc

Konwekcja to metoda przekazywania energii cieplnej, w której przenoszenie ciepła odbywa się poprzez ruch płynu. Ten ruch płynu jest spowodowany różnicą gęstości między gorętszymi i chłodniejszymi obszarami płynu. Te ruchy nazywają się prądy konwekcyjne, a konwekcyjny ruch płynu trwa tak długo, jak istnieje różnica temperatur między regionami.

Ta różnica temperatur jest szczególnie wyraźna, gdy po jednej stronie płynu znajduje się źródło ciepła, takie jak grzejnik w pobliżu podłogi pomieszczenia. Ciepłe powietrze na dole stale porusza się w górę, podczas gdy chłodniejsze powietrze porusza się w dół, aby zostać ogrzane, a następnie wznosi się. Ruch powietrza powoduje prądy kołowe, które będą kontynuowane, dopóki powietrze nie osiągnie temperatury równowagi; szklanka wody o temperaturze pokojowej generalnie nie będzie miała prądów konwekcyjnych, podczas gdy szklanka wody z lodem będzie miała prądy konwekcyjne.

Konwekcja jest często opisywana jako połączenie dwóch procesów fizycznych: adwekcji i dyfuzji. Adwekcja jest transport materii ruchem masowym, takim jak ruch mułu z koryta rzeki przez przepływ rzeki. Dyfuzja to transport materii przez ruch cząstek z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu, na przykład ruch cząstek barwnika rozprowadzających się w szklance wody.

Ponieważ konwekcja przenosi gorętszą materię wyżej, a chłodniejszą niżej, dzieje się to zarówno poprzez ruch materii luzem (adwekcja), jak i cząsteczkowy (dyfuzja).

Konwekcja z definicji nie może zachodzić w ciałach stałych ze względu na niemożność wytworzenia przepływu płynu w materii stałej (cząstki nie mogą poruszać się względem siebie, mogą jedynie wibrować w miejscu). Przenoszenie ciepła w ciałach stałych zachodzi zamiast tego przez przewodzenie, czyli przenoszenie energii wibracyjnej z jednego atomu lub cząsteczki w stałym krysztale do jego sąsiadów. Istnieją pewne wyjątki od tego w miękkich ciałach stałych, w których cząstki mogą przechodzić obok siebie.

Pamiętanie o konwekcji może pomóc w bardziej efektywnym ogrzewaniu lub chłodzeniu domu. Ponieważ gorące powietrze ma tendencję do unoszenia się, a chłodne do opadania, warto umieścić grzejniki bliżej podłogi, a klimatyzatory wyżej.

Wentylatory sufitowe zwykle może działać w obu kierunkach: nadmuch powietrza z góry lub w górę z dołu. Nadmuch powietrza jest zwykle pomocny latem, więc czujesz, że konwekcyjna bryza chłodzi Twoją skórę; Wciąganie powietrza w górę jest pomocne zimą, ponieważ pomaga wypychać gorące powietrze z góry w dół i na zewnątrz w kierunku ścian, bez nadmuchiwania bezpośrednio na Ciebie.

Gdy woda stygnie, kurczy się i staje się bardziej gęsta, jak większość innych substancji. Jednak gdy ostygnie do około 4 stopni Celsjusza, faktycznie zaczyna się nieznacznie rozszerzać. Woda jest dość wyjątkowa pod tym względem, że jej postać stała, lód, jest mniej gęsta niż jej postać ciekła. Więc chociaż ogólnie staje się bardziej gęsty w miarę ochładzania, w pewnym momencie ten trend się odwraca i zaczyna się rozszerzać aż do punktu zamarzania przy 0 stopniach Celsjusza. Ma to wpływ na działanie konwekcji w zamarzającym jeziorze.

Gdy woda w jeziorze ochładza się, opada wraz ze wzrostem temperatury, ale tylko do momentu, gdy całe jezioro osiągnie 4 stopnie Celsjusza. W tym momencie konwekcja odwraca się: woda chłodniejsza niż 4 stopnie Celsjusza jest mniej gęsta niż cieplejsza woda, co oznacza, że ​​górna część jeziora staje się zimniejsza niż dno i lód formularze. Dlatego jeziora najpierw zamarzają na wierzchu.

Słońce (podobnie jak większość gwiazd) podlega wewnętrznej konwekcji z cieplejszą i chłodniejszą plazmą. W strefie konwekcji Słońca, która rozciąga się do wewnątrz od jego zewnętrznej powierzchni, energia cieplna jest przenoszona z gorącego wnętrza Słońca do chłodniejszych obszarów zewnętrznych za pośrednictwem prądów konwekcyjnych.

To tworzy "komórki konwekcyjne”, które są ciemnymi i jasnymi plamami, które można zobaczyć na powierzchni Słońca. Plamy świetlne to komórki konwekcyjne gorącej plazmy, która właśnie wynurzyła się z wnętrza; ciemne plamy to komórki konwekcyjne plazmy, które ostygły i wkrótce opadną z powrotem przez strefę konwekcyjną.

Te ciemne i jasne plamy są czasami nazywane granulkami słonecznymi. Średnio mają około 1000 km średnicy (mniej więcej długości stanu Kalifornia) i pozostają na powierzchni tylko przez około 8 do 20 minut. W każdym momencie powierzchnia Słońca zawiera około czterech milionów granulek!

Konwekcja jest niezwykle ważna w meteorologii lub badaniu pogody. Przepływ ciepłego i chłodnego powietrza przez atmosferę tworzy różne kształty chmur, a także burze, tornada i fronty pogodowe.

Trochę piekarniki potrafią piec konwekcyjnie. Piece konwekcyjne wykorzystują wentylatory i układ wydechowy, które cyrkulują powietrze wewnątrz piekarnika podczas pieczenia, nadmuchując gorące powietrze bezpośrednio na żywność. Dzięki temu żywność gotuje się szybciej i bardziej równomiernie niż gdyby była po prostu umieszczona w pobliżu elementów grzewczych piekarnika. Sprawia również, że wnętrze piekarnika jest bardziej suche i mniej wilgotne, co może być lepsze do przyrumieniania potraw.

Pole magnetyczne Ziemi jest powodowane przez prądy konwekcyjne w jej zewnętrznym jądrze. W centrum Ziemi znajduje się stałe jądro wewnętrzne, otoczone płynnym jądrem zewnętrznym, składającym się głównie z żelaza i niklu. Oba te metale są dobrymi przewodnikami elektryczności. Prądy konwekcyjne w tej warstwie cieczy wytwarzają prądy elektryczne w ciekłym metalu, które wytwarzają pola magnetyczne; suma tych pól magnetycznych to pole magnetyczne Ziemi, które kieruje wszystkie kompasy na Biegun Północny i chroni Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym.