Convecție: Ce este și cum funcționează?

Căldura, la nivelul cel mai de bază, este energia cinetică a atomilor și moleculelor. Convecția afectează totul, de la încălzirea casei dvs., până la procesul de transfer de căldură în soare.

Pe măsură ce un solid, lichid sau gaz este încălzit, atomii sau moleculele care îl compun vibrează din ce în ce mai mult; aceste vibrații crescute necesită mai mult volum pentru fiecare atom / moleculă.

Într-un gaz, aceasta este exprimată nu ca o „vibrație”, ci ca o viteză crescută pentru particule și, prin urmare, o presiune crescută asupra containerului gazului. Din acest motiv, majoritatea materialelor extinde pe măsură ce sunt încălzite. Acest lucru se întâmplă în cea mai mare măsură în gaze, dar într-o măsură mai mică și în lichide și solide.

Când ceva se extinde, devine mai puțin dens; există mai puține particule și, prin urmare, mai puțină masă, pe unitate de volum decât erau înainte. Dar în lichide și gaze (fluide), o regiune cu densitate mai mică va crește și va pluti deasupra regiunilor cu densitate mai mare datorită influenței gravitației. Aceste două concepte, căldura determină o scădere a densității și că fluidele cresc și scad în funcție de densitate, se combină pentru a crea

Convecția este o metodă de transfer de energie termică în care transferul de căldură are loc prin mișcarea fluidului. Această mișcare a fluidului este cauzată de diferența de densitate dintre regiunile mai fierbinți ale fluidului și cele mai reci. Aceste mișcări sunt numite curenții de convecție, iar mișcarea convectivă a fluidului continuă atât timp cât există o diferență de temperatură între regiuni.

Această diferență de temperatură este deosebit de puternică atunci când există o sursă de căldură pe o parte a fluidului, cum ar fi un încălzitor lângă podeaua unei camere. Aerul cald din partea inferioară se deplasează continuu în sus, în timp ce aerul mai rece se deplasează în jos pentru a fi încălzit și apoi se deplasează ulterior. Mișcarea aerului determină curenți circulari care vor continua dacă aerul nu atinge o temperatură de echilibru; un pahar de apă la temperatura camerei nu va avea în general curenți convectivi, în timp ce un pahar de apă cu gheață în el va avea curenți convectivi.

Convecția este adesea descrisă ca o combinație a două procese fizice: advecție și difuzie. Advecție este transportul materiei prin mișcare în vrac, cum ar fi mișcarea nămolului albiei de către fluxul râului. Difuzie este transportul materiei prin mișcarea particulelor dintr-o zonă de concentrație ridicată într-o zonă de concentrație scăzută, cum ar fi mișcarea particulelor de colorant care se răspândesc printr-un pahar de apă.

Pe măsură ce convecția mută materia mai fierbinte mai sus și materia mai rece mai mică, o face atât prin deplasarea materiei în vrac (advecție), cât și în mod particulic (difuzie).

Convecția nu poate, prin definiție, să apară în solide din cauza incapacității de a crea flux de fluid în materie solidă (particulele nu se pot mișca una față de cealaltă, ci pot vibra doar în loc). Transferul de căldură în solide are loc în schimb prin conducere sau prin transferul energiei vibraționale de la un atom sau moleculă într-un cristal solid către vecinii săi. Există câteva excepții de la acest lucru în solidele moi, unde particulele se pot deplasa unele peste altele.

Ținând cont de convecție, vă puteți ajuta să vă încălziți sau să vă răcoriți casa mai eficient. Deoarece aerul cald tinde să crească, iar aerul rece tinde să se scufunde, ajută la apropierea încălzitoarelor de podea și a aparatelor de aer condiționat mai sus.

Ventilatoare de plafon poate funcționa de obicei în ambele direcții: fie suflând aer în jos de sus, fie suflând aer în sus de jos. Suflarea aerului este de obicei utilă vara, astfel încât să simțiți briza convectivă care vă răcorește pielea; tragerea aerului în sus este utilă iarna, deoarece ajută la împingerea aerului cald ridicat în jos și în afară către pereți, fără a sufla direct pe tine.

Pe măsură ce apa se răcește, aceasta se contractă și devine mai densă ca majoritatea celorlalte substanțe. Cu toate acestea, atunci când se răcește la aproximativ 4 grade Celsius, de fapt începe să se extindă ușor. Apa este destul de unică prin faptul că forma sa solidă, gheața, este mai puțin densă decât forma sa lichidă. Deci, deși, în general, devine mai dens pe măsură ce se răcește, la un moment dat această tendință se inversează și începe să se extindă până la punctul de îngheț la 0 grade Celsius. Acest lucru are un efect asupra modului în care funcționează convecția într-un lac înghețat.

Pe măsură ce apa dintr-un lac se răcește, aceasta se scufundă pe măsură ce apa mai caldă crește, dar numai până când întregul lac este de 4 grade Celsius. În acest moment convecția se inversează: apa mai rece decât 4 grade Celsius este mai puțin densă decât apa mai caldă, ceea ce înseamnă că secțiunea superioară a lacului devine mai rece decât fundul și gheața forme. Acesta este motivul pentru care lacurile îngheață mai sus.

Soarele (precum și majoritatea stelelor) suferă o convecție internă cu plasmă mai fierbinte și plasmă mai rece. În zona de convecție a Soarelui, care se întinde spre interior de la suprafața sa exterioară, energia termică este transportată din interiorul solar fierbinte către regiunile exterioare mai reci prin intermediul curenților de convecție.

Acest lucru creează "celule de convecție, „care sunt petele întunecate și luminoase pe care le puteți vedea pe suprafața Soarelui. Petele luminoase sunt celule de convecție de plasmă fierbinte care tocmai s-a ridicat din interior; petele întunecate sunt din celule de convecție a plasmei care s-au răcit și vor cădea în curând înapoi prin zona de convecție.

Aceste pete întunecate și luminoase sunt, de asemenea, numite uneori granule solare. Au în medie aproximativ 1000 km în diametru (aproximativ lungimea statului California) și rămân la suprafață doar aproximativ opt până la 20 de minute. În orice moment, suprafața Soarelui conține aproximativ patru milioane de granule!

Convecția este extrem de importantă în meteorologie sau în studiul vremii. Fluxul de aer cald și rece prin atmosferă este ceea ce creează diferite forme de nori, precum și furtuni, tornade și fronturi meteorologice.

niste cuptoare sunt capabili să se coacă prin convecție. Cuptoarele cu convecție folosesc ventilatoare și un sistem de evacuare care circulă aerul în interiorul cuptorului în timp ce acesta coace, suflând aer fierbinte direct pe alimente. Acest lucru permite alimentelor să gătească mai repede și mai uniform decât ar fi dacă ar fi plasate pur și simplu lângă elementele de încălzire ale cuptorului. De asemenea, face interiorul cuptorului mai uscat și mai puțin umed, ceea ce poate fi mai bun pentru rumenirea alimentelor.

Câmpul magnetic al Pământului este cauzat de curenții de convecție din miezul său exterior. În centrul Pământului se află un miez interior solid, înconjurat de un miez exterior lichid care este format în principal din fier și nichel. Ambele metale sunt bune conductoare de electricitate. Curenții de convecție din acest strat lichid creează curenți electrici în interiorul metalului lichid, care creează câmpuri magnetice; suma acestor câmpuri magnetice este câmpul magnetic al Pământului, care îndreaptă toate busolele către Polul Nord și protejează Pământul de radiațiile cosmice.