Конвекция: что это и как работает?

Тепло на самом базовом уровне - это кинетическая энергия атомов и молекул. Конвекция влияет на все, от отопления вашего дома до процесса теплопередачи внутри солнца.

По мере того как твердое тело, жидкость или газ нагреваются, составляющие его атомы или молекулы колеблются все больше и больше; эти повышенные колебания требуют большего объема для каждого атома / молекулы.

В газе это выражается не как «вибрация», а как повышенная скорость частиц и, следовательно, повышенное давление на емкость с газом. По этой причине большинство материалов расширять как они нагреваются. В большей степени это происходит с газами, но в меньшей степени с жидкостями и твердыми телами.

Когда что-то расширяется, оно становится менее плотным; в единице объема меньше частиц и, следовательно, меньше массы, чем было раньше. Но в жидкостях и газах (флюидах) область с более низкой плотностью будет подниматься и плавать над областями с более высокой плотностью из-за влияния силы тяжести. Эти две концепции, что тепло вызывает уменьшение плотности и что жидкости поднимаются и опускаются в соответствии с плотностью, объединяются, чтобы создать

Конвекция - это метод передачи тепловой энергии, при котором передача тепла происходит посредством движения жидкости. Это движение жидкости вызвано разницей в плотности между более горячими областями жидкости и более холодными областями. Эти движения называются конвекционные потоки, и конвективное движение жидкости продолжается до тех пор, пока существует разница температур между областями.

Эта разница температур особенно заметна, когда на одной стороне жидкости находится источник тепла, например обогреватель возле пола в комнате. Теплый воздух внизу непрерывно движется вверх, тогда как более холодный воздух движется вниз, чтобы нагреться, а затем также движется вверх. Движение воздуха вызывает круговые токи, которые будут продолжаться, пока воздух не достигнет равновесной температуры; в стакане воды комнатной температуры обычно не будет конвективных токов, в то время как в стакане воды со льдом будут конвективные потоки.

Конвекцию часто описывают как сочетание двух физических процессов: адвекции и диффузии. Адвекция представляет собой перенос вещества за счет массового движения, такого как движение ила русла реки потоком реки. Диффузия представляет собой перенос вещества за счет движения частиц из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, например, движение частиц красителя, распространяющихся через стакан с водой.

Поскольку конвекция перемещает более горячее вещество вверх, а более холодное - вниз, это происходит как за счет перемещения вещества в объеме (адвекция), так и в виде частиц (диффузия).

Конвекция по определению не может возникать в твердых телах из-за неспособности создать поток жидкости в твердом веществе (частицы не могут двигаться относительно друг друга, а могут только колебаться на месте). Вместо этого передача тепла в твердых телах происходит за счет теплопроводности или передачи колебательной энергии от одного атома или молекулы твердого кристалла к его соседям. Есть некоторые исключения из этого в мягких твердых телах, где частицы могут перемещаться друг мимо друга.

Помня о конвекции, вы сможете более эффективно обогреть или охладить дом. Поскольку горячий воздух имеет тенденцию подниматься, а холодный - опускаться, это помогает расположить обогреватели ближе к полу, а кондиционеры - выше.

Потолочные вентиляторы обычно может работать в обоих направлениях: либо выдувать воздух сверху вниз, либо выдувать воздух снизу. Летом обычно полезно обдувать воздух, так как вы чувствуете, как конвективный ветерок охлаждает вашу кожу; втягивание воздуха полезно зимой, потому что оно помогает выталкивать горячий воздух вниз и наружу к стенам, не дуя прямо на вас.

По мере охлаждения вода сжимается и становится более плотной, как и большинство других веществ. Однако, когда он остывает примерно до 4 градусов по Цельсию, он фактически начинает немного расширяться. Вода уникальна тем, что ее твердая форма, лед, менее плотная, чем жидкая. Таким образом, хотя обычно он становится более плотным по мере охлаждения, в определенный момент эта тенденция меняется на противоположную, и он начинает расширяться до точки замерзания, равной 0 градусам Цельсия. Это влияет на то, как работает конвекция в замерзающем озере.

Когда вода в озере охлаждается, она опускается по мере того, как поднимается более теплая вода, но только до тех пор, пока температура всего озера не достигнет 4 градусов по Цельсию. В этот момент конвекция меняется на противоположную: вода, температура которой ниже 4 градусов Цельсия, менее плотная, чем более теплая вода, что означает, что верхняя часть озера становится холоднее, чем дно, и лед формы. Вот почему сначала замерзают озера сверху.

Солнце (как и большинство звезд) испытывает внутреннюю конвекцию с более горячей плазмой и более холодной плазмой. В зоне конвекции Солнца, которая простирается внутрь от его внешней поверхности, тепловая энергия переносится из горячих внутренних частей Солнца в более холодные внешние области посредством конвективных токов.

Это создает "конвекционные ячейки, "которые представляют собой темные и светлые пятна, которые вы видите на поверхности Солнца. Световые пятна - это конвекционные ячейки горячей плазмы, только что поднявшейся изнутри; темные пятна представляют собой конвективные ячейки плазмы, которая остыла и вскоре снова упадет через зону конвекции.

Эти темные и светлые пятна также иногда называют солнечными гранулами. В среднем они имеют диаметр около 1000 км (длина штата Калифорния) и остаются на поверхности всего от восьми до 20 минут. В любой момент на поверхности Солнца содержится около четырех миллионов гранул!

Конвекция чрезвычайно важна в метеорологии или изучении погоды. Потоки теплого и прохладного воздуха в атмосфере создают облака различной формы, а также грозы, торнадо и погодные фронты.

Некоторый духовки умеют выпекать конвекцией. В конвекционных печах используются вентиляторы и вытяжная система, которые обеспечивают циркуляцию воздуха внутри духовки во время выпечки, направляя горячий воздух прямо на пищу. Это позволяет продуктам готовиться быстрее и равномернее, чем если бы их просто поместили рядом с нагревательными элементами духовки. Это также делает внутреннюю часть духовки суше и менее влажной, что может быть лучше для подрумянивания пищи.

Магнитное поле Земли вызвано конвекционными токами во внешнем ядре. В центре Земли находится твердое внутреннее ядро, окруженное жидким внешним ядром, состоящим в основном из железа и никеля. Оба эти металла являются хорошими проводниками электричества. Конвекционные токи в этом жидком слое создают электрические токи в жидком металле, которые создают магнитные поля; сумма этих магнитных полей и есть магнитное поле Земли, которое направляет все компасы на Северный полюс и защищает Землю от космического излучения.