Konvektion: Vad är det och hur fungerar det?

Värme, på den mest grundläggande nivån, är den kinetiska energin hos atomer och molekyler. Konvektion påverkar allt från uppvärmningen av ditt hus till processen för värmeöverföring i solen.

När en fast, flytande eller gas värms upp, vibrerar atomerna eller molekylerna som innefattar den mer och mer; dessa ökade vibrationer kräver mer volym för varje atom / molekyl.

I en gas uttrycks detta inte som en "vibration" utan som en ökad hastighet för partiklarna och därför ett ökat tryck på gasens behållare. Av denna anledning, de flesta material bygga ut när de värms upp. Detta händer i största utsträckning i gaser, men i mindre utsträckning även i vätskor och fasta ämnen.

När något expanderar blir det mindre tätt; det finns färre partiklar, och därmed mindre massa, per volymenhet än tidigare. Men i vätskor och gaser (vätskor) kommer en region med lägre densitet att stiga och flyta över regionerna med högre densitet på grund av tyngdkraftsinverkan. Dessa två begrepp, att värme orsakar en minskning av densiteten och att vätskor stiger och faller enligt densitet, kombinerar för att skapa

Konvektion är en metod för överföring av termisk energi där värmeöverföringen sker via fluidrörelse. Denna vätskerörelse orsakas av skillnaden i densitet mellan hetare områden i vätskan och de svalare områdena. Dessa rörelser kallas konvektionsströmmaroch den konvektiva rörelsen av vätska fortsätter så länge det finns en temperaturskillnad mellan regionerna.

Denna temperaturskillnad är särskilt stark när det finns en värmekälla på ena sidan av vätskan, till exempel en värmare nära golvet i ett rum. Den varma luften längst ner rör sig kontinuerligt uppåt, medan den kallare luften rör sig nedåt för att värmas upp och rör sig därefter också uppåt. Luftens rörelse orsakar cirkulära strömmar som kommer att fortsätta såvida inte luften når en jämviktstemperatur; ett glas vatten vid rumstemperatur har i allmänhet inte konvektiva strömmar, medan ett glas vatten med is i har konvektiva strömmar.

Konvektion beskrivs ofta som en kombination av två fysiska processer: advektion och diffusion. Advektion är transport av materia med bulkrörelse, såsom rörelse av flodbäddssil vid flodens flöde. Diffusion är transport av materia genom partikelrörelse från ett område med hög koncentration till ett område med låg koncentration, såsom rörelse av färgpartiklar som sprider sig genom ett glas vatten.

När konvektion flyttar varmare materia högre och kallare materia lägre görs det både genom att flytta materien i bulk (advektion) och på ett partikelformigt sätt (diffusion).

Konvektion kan per definition inte förekomma i fasta ämnen på grund av oförmågan att skapa vätskeflöde i fast material (partiklarna kan inte röra sig relativt varandra utan kan bara vibrera på plats). Värmeöverföring i fasta ämnen sker istället genom ledning eller överföring av vibrationsenergi från en atom eller molekyl i en fast kristall till sina grannar. Det finns några undantag från detta i mjuka fasta ämnen där partiklarna kan röra sig förbi varandra.

Att hålla konvektion i åtanke kan hjälpa dig att värma eller kyla ditt hus mer effektivt. Eftersom varm luft tenderar att stiga och kall luft tenderar att sjunka, hjälper det att placera värmare närmare golvet och luftkonditioneringsapparater högre upp.

Takfläktar kan vanligtvis fungera i båda riktningarna: antingen blåser luft nerifrån eller blåser luft uppifrån. Att blåsa ner luft är vanligtvis till hjälp på sommaren så att du känner att den konvektiva vinden svalnar din hud; att dra luft upp är till hjälp på vintern eftersom det hjälper till att trycka den höga varma luften ner och ut mot väggarna utan att blåsa direkt på dig.

När vattnet svalnar, dras det samman och blir tätare som de flesta andra ämnen. Men när det svalnar till cirka 4 grader Celsius börjar det faktiskt expandera något. Vatten är ganska unikt genom att dess fasta form, is, är mindre tät än dess flytande form. Så även om det i allmänhet blir tätare när det svalnar, vid en viss tidpunkt vänder trenden sig, och den börjar expandera till dess fryspunkt vid 0 grader Celsius. Detta har en inverkan på hur konvektion fungerar i en iskall sjö.

När vattnet i en sjö svalnar sjunker det när varmare vatten stiger men bara tills hela sjön är 4 grader Celsius. Vid denna tidpunkt vänder konvektion: Vattnet som är kallare än 4 grader Celsius är mindre tätt än det varmare vattnet, vilket innebär att den övre delen av sjön blir kallare än botten och isen former. Därför fryser sjöarna först.

Solen (liksom de flesta stjärnor) genomgår intern konvektion med varmare plasma och kallare plasma. Inom solens konvektionszon, som sträcker sig inåt från dess yttre yta, transporteras värmeenergi från den heta solinredningen till de kallare yttre regionerna via konvektionsströmmar.

Detta skapar "konvektionsceller, "vilka är de mörka och ljusa fläckarna du kan se på solens yta. Ljusfläckarna är konvektionsceller av het plasma som just har stigit upp från det inre. de mörka fläckarna är av konvektionceller i plasma som har svalnat och kommer snart att falla tillbaka genom konvektionszonen.

Dessa mörka och ljusa fläckar kallas också ibland solgranuler. De har i genomsnitt cirka 1 000 km i diameter (ungefär längden på delstaten Kalifornien) och stannar vid ytan i bara cirka åtta till 20 minuter. När som helst innehåller solens yta cirka fyra miljoner granuler!

Konvektion är extremt viktigt i meteorologi eller väderstudier. Flödet av varm och sval luft genom atmosfären är det som skapar olika former av moln, såväl som åskväder, tornados och väderfronter.

Vissa ugnar kan baka genom konvektion. Konvektionsugnar använder fläktar och ett avgassystem som cirkulerar luften inuti ugnen medan den bakar och blåser varm luft direkt över maten. Detta gör att maten kan laga snabbare och jämnare än vad den skulle göra om den helt enkelt placerades nära ugnsvärmeelementen. Det gör också insidan av ugnen torrare och mindre fuktig, vilket kan vara bättre för att bryna mat.

Jordens magnetfält orsakas av konvektionsströmmar i dess yttre kärna. I mitten av jorden finns en solid inre kärna, omgiven av en flytande yttre kärna som huvudsakligen består av järn och nickel. Båda dessa metaller är bra ledare för elektricitet. Konvektionsströmmarna i detta flytande skikt skapar elektriska strömmar i den flytande metallen, som skapar magnetfält; summan av dessa magnetfält är jordens magnetfält som pekar alla kompasser mot nordpolen och skyddar jorden från kosmisk strålning.