Конвекција: шта је то и како делује?

Топлина је на најосновнијем нивоу кинетичка енергија атома и молекула. Конвекција утиче на све, од грејања куће до процеса преноса топлоте на сунцу.

Како се чврста материја, течност или гас загревају, атоми или молекули који је чине вибрирају све више и више; ове повећане вибрације захтевају већу запремину за сваки атом / молекул.

У гасу се то не изражава као „вибрација“, већ као повећана брзина за честице, а тиме и повећани притисак на посуду са гасом. Из тог разлога већина материјала проширити како се загревају. То се у највећој мери дешава код гасова, али у мањој мери и код течности и чврстих тела.

Када се нешто прошири, постаје мање густо; има мање честица, а самим тим и мање масе, по јединици запремине него што је било раније. Али у течностима и гасовима (течностима), регион мање густине ће се подићи и плутати изнад региона веће густине због утицаја гравитације. Ова два концепта, да топлота узрокује смањење густине и да течности расту и падају у складу са густином, комбинују се да би створили феномен преноса топлоте конвекције.

Конвекција је метода преноса топлотне енергије где се пренос топлоте одвија кретањем флуида. Овакво кретање течности узроковано је разликом у густини између врућих региона течности и хладнијих региона. Ови покрети су позвани конвекционе струје, а конвективно кретање течности наставља се све док постоји температурна разлика између региона.

Ова температурна разлика је нарочито оштра када постоји извор топлоте на једној страни течности, као што је грејач близу пода собе. Топао ваздух на дну непрекидно се креће према горе, док се хладнији ваздух креће надоле да би се загревао, а затим се такође помера нагоре. Кретање ваздуха изазива кружне струје које ће се наставити уколико ваздух не достигне равнотежну температуру; чаша воде на собној температури углавном неће имати конвективне струје, док ће чаша воде са ледом у себи имати конвективне струје.

Конвекција се често описује као комбинација два физичка процеса: адвекције и дифузије. Адвекција је транспорт материје расути, попут кретања муља у кориту протоком реке. Дифузија је транспорт материје кретањем честица из подручја високе концентрације у подручје ниске концентрације, као што је кретање честица боје које се шире чашом воде.

Како се конвекција помера више вруће материје, а хладнија ниже, то чини померањем масе на велико (адвекција) и на честице (дифузија).

Конвекција се по дефиницији не може догодити у чврстим телима због немогућности стварања протока течности у чврстој материји (честице се не могу померати једна у односу на другу, већ могу само вибрирати на месту). Пренос топлоте у чврстим супстанцама се дешава уместо проводљивости или преноса вибрационе енергије од једног атома или молекула у чврстом кристалу до његових суседа. Постоје неки изузеци од овога код меканих чврстих супстанци где се честице могу померати једна поред друге.

Имајући на уму конвекцију, можете вам помоћи да ефикасније грејете или хладите кућу. Будући да врући ваздух има тенденцију пораста, а хладни ваздух тендира да тоне, помаже постављање грејача ближе поду, а клима уређаја више.

Плафонски вентилатори обично могу да делују у оба смера: или дувањем ваздуха одозго, или дувањем ваздуха одоздо. Дување ваздуха обично је корисно лети, тако да осећате да вам конвективни ветрић хлади кожу; повлачење ваздуха је корисно зими, јер помаже потискивању врућег ваздуха надоле и према зиду, без пухања директно на вас.

Како се вода хлади, она се скупља и постаје гушћа попут већине других супстанци. Међутим, када се охлади на око 4 степена Целзијуса, заправо почиње лагано да се шири. Вода је прилично јединствена по томе што је њен чврсти облик, лед, мање густ од свог течног облика. Дакле, иако генерално постаје гушћи док се хлади, у одређеном тренутку овај тренд се преокреће и почиње да се шири до тачке смрзавања на 0 степени Целзијуса. Ово утиче на то како конвекција делује у леденом језеру.

Како се вода у језеру хлади, она тоне док се топлија вода подиже, али само док цело језеро не достигне 4 степена Целзијуса. У овом тренутку се конвекција обрће: Вода хладнија од 4 степена Целзијуса мање је густа од топлија вода, што значи да горњи део језера постаје хладнији од дна и леда облици. Због тога се језера прво смрзавају на врху.

Сунце (као и већина звезда) пролази кроз унутрашњу конвекцију са топлијом и хладнијом плазмом. Унутар Сунчеве зоне конвекције, која се пружа према унутрашњости од његове спољне површине, топлотна енергија се преноси из вруће соларне унутрашњости у хладније спољне регионе путем конвекционих струја.

Ово ствара "конвекционе ћелије, "које су тамне и светле мрље које можете видети на површини Сунца. Светлосне мрље су конвекционе ћелије вруће плазме која се управо подигла из унутрашњости; тамне мрље су од конвекционих ћелија плазме које су се охладиле и ускоро ће поново пасти кроз зону конвекције.

Ове тамне и светле мрље се понекад називају и соларним гранулама. У просеку имају пречник око 1.000 км (приближно дужине државе Калифорнија) и задржавају се на површини само око осам до 20 минута. У било ком тренутку, површина Сунца садржи око четири милиона гранула!

Конвекција је изузетно важна у метеорологији или проучавању времена. Проток топлог и хладног ваздуха кроз атмосферу је оно што ствара различите облике облака, као и грмљавинске олује, торнада и временске фронте.

Неки пећи су у стању да пеку конвекцијом. Конвекцијске пећнице користе вентилаторе и издувни систем који циркулише ваздух унутар рерне док се пече, упухујући врући ваздух директно преко хране. То омогућава храни да се брже и равномерније кува него што би било да је једноставно постављено у близини грејних елемената рерне. Такође чини унутрашњост рерне сушном и мање влажном, што може бити боље за посмеђивање хране.

Земљино магнетно поље узроковано је конвекционим струјама у његовом спољном језгру. У средишту Земље налази се чврсто унутрашње језгро, окружено течним спољним језгром које се углавном састоји од гвожђа и никла. Оба ова метала су добри проводници електричне енергије. Струје конвекције у овом слоју течности стварају електричне струје унутар течног метала, које стварају магнетна поља; збир ових магнетних поља је магнетно поље Земље, које усмерава све компасе на Северни пол и штити Земљу од космичког зрачења.