Toplota je na najbolj osnovni ravni kinetična energija atomov in molekul. Konvekcija vpliva na vse, od ogrevanja hiše do procesa prenosa toplote na soncu.
Razmerje med temperaturo in gostoto
Ko se trdna snov, tekočina ali plin segreje, atomi ali molekule, ki jo sestavljajo, vedno bolj vibrirajo; te povečane vibracije zahtevajo več volumna za vsak atom / molekulo.
V plinu to ni izraženo kot "vibracija", temveč kot povečana hitrost delcev in s tem povečan pritisk na posodo s plinom. Iz tega razloga večina materialov razširiti ko se segrejejo. To se v največji meri zgodi pri plinih, v manjši pa tudi pri tekočinah in trdnih snoveh.
Ko se nekaj razširi, postane manj gosto; na enoto prostornine je manj delcev in s tem manj mase, kot jih je bilo prej. Toda v tekočinah in plinih (tekočinah) se bo območje z manjšo gostoto zaradi vpliva gravitacije dvignilo in plavalo nad območji z višjo gostoto. Ta dva koncepta, da toplota povzroča zmanjšanje gostote in da tekočine naraščajo in padajo glede na gostoto, skupaj ustvarjata pojav prenosa toplote konvekcije.
Opredelitev konvekcije
Konvekcija je metoda prenosa toplotne energije, pri kateri prenos toplote poteka s gibanjem tekočine. To gibanje tekočine je posledica razlike v gostoti med bolj vročimi predeli tekočine in hladnejšimi območji. Ti predlogi se imenujejo konvekcijski tokovi, in konvekcijsko gibanje tekočine se nadaljuje, dokler obstaja temperaturna razlika med regijami.
Ta temperaturna razlika je še posebej močna, če je na eni strani tekočine vir toplote, na primer grelec blizu tal v sobi. Topel zrak na dnu se neprestano premika navzgor, hladnejši pa navzdol, da se segreje, nato pa tudi navzgor. Gibanje zraka povzroča krožne tokove, ki se bodo nadaljevali, razen če zrak doseže ravnotežno temperaturo; kozarec vode pri sobni temperaturi praviloma ne bo imel konvektivnih tokov, medtem ko bo kozarec vode z ledom v sebi imel konvektivne tokove.
Konvekcija je pogosto opisana kot kombinacija dveh fizikalnih procesov: advekcije in difuzije. Advekcija je prevoz snovi s premiki v razsutem stanju, kot je gibanje mulja v strugi po toku reke. Difuzija je prevoz snovi s premikanjem delcev iz območja z visoko koncentracijo v območje z nizko koncentracijo, kot je gibanje delcev barvila, ki se širijo skozi kozarec vode.
Ko konvekcija premika vročo snov višje in hladnejšo snov nižje, to počne tako, da snov premika v razsutem stanju (advekcija) in na delce (difuzija).
Konvencija se po definiciji ne more pojaviti v trdnih snoveh zaradi nezmožnosti ustvarjanja toka tekočine v trdni snovi (delci se ne morejo premikati med seboj, ampak lahko samo vibrirajo na svojem mestu). Namesto tega se prenos toplote v trdnih snoveh izvaja s prevodnostjo ali prenosom vibracijske energije iz enega atoma ali molekule v trdnem kristalu na njegove sosede. Nekaj izjem je pri mehkih trdnih snoveh, kjer se delci lahko premikajo drug mimo drugega.
Ogrevanje in hlajenje vaše hiše
Upoštevanje konvekcije vam lahko pomaga učinkoviteje ogrevati ali hladiti hišo. Ker se vroč zrak ponavadi dviguje, hladen pa se pogreza, pomaga pri postavljanju grelnikov bližje tlom, klimatskih naprav pa višje.
Stropni ventilatorji ponavadi lahko deluje v obe smeri: bodisi piha zrak od zgoraj, bodisi piha zrak od spodaj. Pihanje zraka je običajno koristno poleti, zato čutite, da vam konvektivni vetrič hladi kožo; vlečenje zraka navzgor je koristno pozimi, ker pomaga potisniti vroči zrak navzgor in navzdol proti stenam, ne da bi pihal neposredno na vas.
Zamrznjeno jezero
Ko se voda ohladi, se skrči in postane bolj gosta kot večina drugih snovi. Ko pa se ohladi na približno 4 stopinje Celzija, se dejansko začne rahlo širiti. Voda je dokaj edinstvena po tem, da je njena trdna oblika, led, manj gosta kot tekoča. Torej, čeprav na splošno postane bolj gosto, ko se ohladi, se na določeni točki ta trend obrne in začne se širiti do ledišča pri 0 stopinjah Celzija. To vpliva na to, kako deluje konvekcija v ledenem jezeru.
Ko se voda v jezeru ohladi, s povišanjem toplejše vode tone, vendar le, dokler celotno jezero ne doseže 4 stopinje Celzija. Na tej točki se konvekcija obrne: Voda, ki je hladnejša od 4 stopinj Celzija, je manj gosta kot toplejša voda, kar pomeni, da postane zgornji del jezera hladnejši od dna in ledu obrazci. Zato jezera najprej zmrznejo na vrhu.
Sončna konvekcija
Sonce (kot tudi večina zvezd) je podvrženo notranji konvekciji z vročo in hladnejšo plazmo. Znotraj sončnega konvekcijskega območja, ki se razteza od njegove zunanje površine, se toplota prenaša iz vroče sončne notranjosti v hladnejše zunanje predele s pomočjo konvekcijskih tokov.
To ustvarja "konvekcijske celice, "katere so temne in svetle lise, ki jih lahko vidite na sončni površini. Svetlobne pike so konvekcijske celice vroče plazme, ki se je pravkar dvignila iz notranjosti; temne lise so konvekcijske celice plazme, ki so se ohladile in bodo kmalu spet padle skozi konvekcijsko območje.
Tem temnim in svetlim madežem včasih pravimo tudi sončne granule. Povprečno imajo premer približno 1.000 km (približno dolžina zvezne države Kalifornija) in ostanejo na površini le približno osem do 20 minut. Sončna površina kadar koli vsebuje približno štiri milijone zrnc!
Drugi primeri konvekcije
Konvekcija je izredno pomembna v meteorologiji ali preučevanju vremena. Pretok toplega in hladnega zraka skozi ozračje ustvarja različne oblike oblakov, pa tudi nevihte, tornade in vremenske fronte.
Nekateri pečice lahko pečejo s konvekcijo. Konvekcijske peči uporabljajo ventilatorje in izpušni sistem, ki med pečenjem krožijo zrak v pečici in pihajo vroč zrak neposredno čez hrano. To omogoča, da se hrana kuha hitreje in enakomerneje, kot če bi jo preprosto postavili v bližino grelnih elementov pečice. Zaradi tega je notranjost pečice bolj suha in manj vlažna, kar je lahko boljše za rjavenje hrane.
Zemeljsko magnetno polje povzročajo konvekcijski tokovi v njegovem zunanjem jedru. V središču Zemlje je trdno notranje jedro, obdano s tekočim zunanjim jedrom, ki je večinoma sestavljeno iz železa in niklja. Obe kovini sta dobri prevodnici električne energije. Konvekcijski tokovi v tej tekoči plasti ustvarjajo električne tokove znotraj tekoče kovine, ki ustvarjajo magnetna polja; vsota teh magnetnih polj je magnetno polje Zemlje, ki usmerja vse kompase na severni pol in ščiti Zemljo pred kozmičnim sevanjem.