Konvekcia: Čo to je a ako to funguje?

Teplo je na najzákladnejšej úrovni kinetická energia atómov a molekúl. Konvekcia ovplyvňuje všetko od vykurovania vášho domu až po proces prenosu tepla na slnku.

Keď sa pevná látka, kvapalina alebo plyn zahrejú, atómy alebo molekuly, ktoré ju obsahujú, vibrujú čoraz viac; tieto zvýšené vibrácie vyžadujú väčší objem pre každý atóm / molekulu.

V plyne to nie je vyjadrené ako „vibrácia“, ale ako zvýšená rýchlosť pre častice, a teda zvýšený tlak na nádobu s plynom. Z tohto dôvodu väčšina materiálov rozširovať ako sa zohrievajú. To sa deje v najväčšej miere v plynoch, ale v menšej miere tiež v tekutinách a pevných látkach.

Keď sa niečo roztiahne, stane sa menej hustým; na jednotku objemu je menej častíc, a teda menej hmoty, ako tomu bolo predtým. Ale v kvapalinách a plynoch (tekutinách) bude oblasť s nižšou hustotou stúpať a vznášať sa nad oblasťami s vyššou hustotou v dôsledku gravitácie. Tieto dva koncepty, že teplo spôsobuje pokles hustoty a že kvapaliny stúpajú a klesajú podľa hustoty, sa vytvárajú spolu fenomén prenosu tepla konvekcie.

Konvekcia je metóda prenosu tepelnej energie, pri ktorej k prenosu tepla dochádza pohybom tekutiny. Tento pohyb tekutiny je spôsobený rozdielom v hustote medzi teplejšími oblasťami tekutiny a chladnejšími oblasťami. Tieto pohyby sa nazývajú konvekčné prúdya konvekčný pohyb tekutiny pokračuje, pokiaľ existuje teplotný rozdiel medzi oblasťami.

Tento teplotný rozdiel je obzvlášť ostrý, ak je na jednej strane kvapaliny zdroj tepla, napríklad kúrenie v blízkosti podlahy miestnosti. Teplý vzduch v spodnej časti sa nepretržite posúva nahor, zatiaľ čo chladnejší vzduch sa posúva smerom nadol, aby sa zahrial, a potom sa tiež pohybuje nahor. Pohyb vzduchu spôsobuje kruhové prúdy, ktoré budú pokračovať, pokiaľ vzduch nedosiahne rovnovážnu teplotu; pohár vody pri izbovej teplote spravidla nebude mať konvekčné prúdy, zatiaľ čo pohár vody s ľadom bude mať konvekčné prúdy.

Konvekcia sa často označuje ako kombinácia dvoch fyzikálnych procesov: advekcie a difúzie. Poradie je transport hmoty hromadným pohybom, ako je napríklad pohyb nánosu koryta riekou. Difúzia je transport hmoty pohybom častíc z oblasti s vysokou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou, ako je pohyb častíc farbiva šíriacich sa cez pohár vody.

Pretože konvekcia posúva teplejšiu hmotu vyššie a chladnejšiu hmotu nižšie, robí to hromadným pohybom hmoty (advekcia) a časticovým spôsobom (difúzia).

Konvekcia nemôže, podľa definície, nastať v tuhých látkach kvôli neschopnosti vytvoriť tok tekutiny v tuhej hmote (častice sa nemôžu navzájom pohybovať, ale môžu iba vibrovať na danom mieste). K prenosu tepla v tuhých látkach namiesto toho dochádza vedením alebo prenosom vibračnej energie z jedného atómu alebo molekuly v tuhom kryštáli na jeho susedov. Existujú určité výnimky z toho v mäkkých pevných látkach, kde sa častice môžu pohybovať okolo seba.

Ak budete mať na pamäti konvekciu, môže vám to pomôcť efektívnejšie vykurovať alebo chladiť dom. Pretože horúci vzduch má tendenciu stúpať a chladný vzduch má tendenciu klesať, pomáha umiestniť ohrievače bližšie k podlahe a klimatizačné jednotky vyššie.

Stropné ventilátory môžu zvyčajne pracovať v oboch smeroch: buď fúkanie vzduchu zhora, alebo fúkanie vzduchu zhora. Dúchanie vzduchu je zvyčajne užitočné v lete, takže máte pocit, že konvekčný vánok ochladzuje vašu pokožku; ťahanie vzduchu nahor je v zime užitočné, pretože pomáha tlačiť vysoko horúci vzduch dole a von k stenám bez toho, aby fúkalo priamo na vás.

Keď sa voda ochladí, stiahne sa a zhustne ako väčšina ostatných látok. Keď sa však ochladí na asi 4 stupne Celzia, skutočne sa začne mierne rozpínať. Voda je pomerne jedinečná v tom, že jej pevná forma, ľad, je menej hustá ako tekutá forma. Hoci sa teda ochladzovaním spravidla zväčšuje, v určitom okamihu sa tento trend obracia a začína expandovať až do bodu mrazu pri 0 stupňoch Celzia. To má vplyv na to, ako funguje konvekcia v mrazivom jazere.

Keď sa voda v jazere ochladzuje, klesá s tým, ako stúpa teplejšia voda, ale iba dovtedy, kým nemá celé jazero 4 stupne Celzia. V tomto bode sa konvekcia obráti: Voda, ktorá je chladnejšia ako 4 stupne Celzia, je menej hustá ako teplejšia voda, čo znamená, že horná časť jazera je chladnejšia ako dno a ľad formy. Preto jazerá najskôr na vrchu zamrznú.

Slnko (rovnako ako väčšina hviezd) prechádza vnútornou konvekciou s teplejšou plazmou a chladnejšou plazmou. V rámci konvekčnej zóny Slnka, ktorá sa tiahne smerom od jej vonkajšieho povrchu, sa tepelná energia prenáša z horúceho slnečného interiéru do chladnejších vonkajších oblastí pomocou konvekčných prúdov.

Toto vytvára „konvekčné bunky„, čo sú tmavé a svetlé škvrny, ktoré môžete vidieť na povrchu Slnka. Svetelné škvrny sú konvekčné bunky horúcej plazmy, ktorá práve vystúpila z interiéru; tmavé škvrny sú z konvekčných buniek plazmy, ktoré sa ochladili a čoskoro spadnú späť dole cez konvekčnú zónu.

Tieto tmavé a svetlé škvrny sa tiež niekedy nazývajú slnečné granule. V priemere majú priemer asi 1 000 km (asi dĺžka štátu Kalifornia) a na povrchu zostávajú iba asi osem až 20 minút. V každom okamihu obsahuje povrch Slnka asi štyri milióny granúl!

Konvekcia je mimoriadne dôležitá v meteorológii alebo pri štúdiu počasia. Prúdenie teplého a chladného vzduchu cez atmosféru vytvára rôzne tvary mrakov, ako aj búrky, tornáda a poveternostné fronty.

Niektoré pece sú schopní piecť prúdením. Teplovzdušné rúry používajú ventilátor a výfukový systém, ktorý pri pečení cirkuluje vzduch vo vnútri rúry a fúka horúci vzduch priamo na jedlo. To umožňuje, aby sa jedlo pripravovalo rýchlejšie a rovnomernejšie, ako by to bolo, keby bolo jednoducho umiestnené v blízkosti výhrevných telies rúry. Vnútorný priestor rúry je tiež suchší a menej vlhký, čo môže byť lepšie na opekanie pokrmov.

Magnetické pole Zeme je spôsobené konvekčnými prúdmi v jeho vonkajšom jadre. V strede Zeme je pevné vnútorné jadro obklopené kvapalným vonkajším jadrom, ktoré je zložené väčšinou zo železa a niklu. Oba tieto kovy sú dobrými vodičmi elektriny. Konvekčné prúdy v tejto tekutej vrstve vytvárajú elektrické prúdy v tekutom kovu, ktoré vytvárajú magnetické polia; súčet týchto magnetických polí je magnetické pole Zeme, ktoré smeruje všetky kompasy na severný pól a chráni Zem pred kozmickým žiarením.