Konveksiyon: Nedir ve Nasıl Çalışır?

Isı, en temel düzeyde, atomların ve moleküllerin kinetik enerjisidir. Konveksiyon, evinizin ısıtılmasından güneşte ısı transferi sürecine kadar her şeyi etkiler.

Bir katı, sıvı veya gaz ısıtıldıkça, onu oluşturan atomlar veya moleküller giderek daha fazla titreşir; bu artan titreşimler, her atom/molekül için daha fazla hacim gerektirir.

Bir gazda bu, bir "titreşim" olarak değil, parçacıklar için artan bir hız ve dolayısıyla gazın kabı üzerinde artan bir basınç olarak ifade edilir. Bu nedenle çoğu malzeme genişletmek ısıtıldıkları için. Bu, en büyük ölçüde gazlarda olur, ancak daha az ölçüde sıvılarda ve katılarda da olur.

Bir şey genişlediğinde daha az yoğun hale gelir; birim hacim başına öncekinden daha az parçacık ve dolayısıyla daha az kütle vardır. Ancak sıvılarda ve gazlarda (akışkanlar), yerçekiminin etkisi nedeniyle daha düşük yoğunluklu bir bölge yükselecek ve daha yüksek yoğunluklu bölgelerin üzerinde yüzecektir. Isının yoğunluğun azalmasına neden olduğu ve sıvıların yoğunluğa göre yükselip alçaldığı bu iki kavram birleşerek

Konveksiyon, ısı transferinin akışkan hareketi yoluyla gerçekleştiği bir termal enerji transferi yöntemidir. Bu sıvı hareketi, sıvının daha sıcak bölgeleri ile daha soğuk bölgeleri arasındaki yoğunluk farkından kaynaklanır. Bu hareketlere denir konveksiyon akımları, ve akışkanın konvektif hareketi bölgeler arasında sıcaklık farkı olduğu sürece devam eder.

Bu sıcaklık farkı, sıvının bir tarafında, örneğin bir odanın tabanına yakın bir ısıtıcı gibi bir ısı kaynağı olduğunda özellikle belirgindir. Alttaki sıcak hava sürekli olarak yukarı doğru hareket ederken, daha soğuk hava ısıtılmak için aşağı doğru hareket eder ve ardından yukarı doğru hareket eder. Havanın hareketi, hava bir denge sıcaklığına ulaşmadıkça devam edecek olan dairesel akımlara neden olur; oda sıcaklığındaki bir bardak su genellikle konvektif akımlara sahip olmazken, içinde buz bulunan bir bardak su konvektif akımlara sahip olacaktır.

Konveksiyon genellikle iki fiziksel sürecin bir kombinasyonu olarak tanımlanır: adveksiyon ve difüzyon. tavsiye nehir yatağı siltinin nehir akışıyla hareketi gibi, maddenin toplu hareketle taşınmasıdır. difüzyon Maddenin yüksek konsantrasyonlu bir alandan düşük konsantrasyonlu bir alana partikül hareketi ile taşınmasıdır, örneğin bir bardak su içinden yayılan boya partiküllerinin hareketi.

Konveksiyon, daha sıcak maddeyi daha yükseğe ve daha soğuk maddeyi alçalttığından, bunu hem maddeyi toplu olarak (adveksiyon) hem de parçacıklı bir şekilde (difüzyon) hareket ettirerek yapar.

Konveksiyon, tanımı gereği, katı maddede sıvı akışı oluşturulamaması nedeniyle katılarda oluşamaz (parçacıklar birbirine göre hareket edemez, ancak yalnızca yerinde titreyebilir). Katılarda ısı transferi bunun yerine iletim veya katı kristaldeki bir atom veya molekülden komşularına titreşim enerjisinin transferi ile gerçekleşir. Yumuşak katılarda bunun bazı istisnaları vardır, burada parçacıklar birbirini geçebilir.

Konveksiyonu akılda tutmak, evinizi daha verimli bir şekilde ısıtmanıza veya soğutmanıza yardımcı olabilir. Sıcak hava yükselmeye ve soğuk hava da batmaya meyilli olduğundan, ısıtıcıları zemine yakınlaştırmaya ve klimaları daha yükseğe koymaya yardımcı olur.

Tavan vantilatörleri genellikle her iki yönde de çalışabilir: ya yukarıdan hava üfleyerek ya da aşağıdan hava üfleyerek. Havayı aşağı üflemek genellikle yazın yardımcı olur, bu nedenle konvektif esintiyi cildinizi serinletirken hissedersiniz; havayı yukarı çekmek kışın faydalıdır çünkü yüksekteki sıcak havayı doğrudan üzerinize üflemeden aşağı ve duvarlara doğru itmeye yardımcı olur.

Su soğudukça büzülür ve diğer birçok madde gibi daha yoğun hale gelir. Ancak, yaklaşık 4 santigrat dereceye soğuduğunda, aslında hafifçe genişlemeye başlar. Su, katı formu olan buzun sıvı formundan daha az yoğun olması bakımından oldukça benzersizdir. Yani soğudukça genellikle daha yoğun hale gelse de, belirli bir noktada bu eğilim tersine döner ve donma noktası 0 santigrat dereceye kadar genişlemeye başlar. Bunun, donan bir gölde konveksiyonun nasıl çalıştığı üzerinde bir etkisi vardır.

Bir göldeki su soğudukça, daha sıcak su yükseldikçe batar, ancak tüm göl 4 santigrat dereceye ulaşana kadar. Bu noktada konveksiyon tersine döner: 4 santigrat dereceden daha soğuk olan su, sudan daha az yoğundur. daha sıcak su, yani gölün üst kısmı alttan ve buzdan daha soğuk olur formlar. Bu nedenle göller önce üstte donar.

Güneş (ve çoğu yıldız) daha sıcak plazma ve daha soğuk plazma ile iç konveksiyona uğrar. Güneş'in dış yüzeyinden içeriye doğru uzanan konveksiyon bölgesinde, ısı enerjisi konveksiyon akımları yoluyla sıcak güneş iç bölgesinden daha soğuk dış bölgelere taşınır.

Bu oluşturur "konveksiyon hücreleri"Güneş'in yüzeyinde görebileceğiniz karanlık ve aydınlık lekelerdir. Işık noktaları, içeriden yeni yükselen sıcak plazmanın konveksiyon hücreleridir; karanlık noktalar, soğuyan ve yakında konveksiyon bölgesinden aşağı inecek olan plazmanın konveksiyon hücreleridir.

Bu karanlık ve aydınlık noktalara bazen güneş granülleri de denir. Ortalama olarak yaklaşık 1.000 km çapında (California eyaletinin uzunluğu kadar) ve yüzeyde sadece yaklaşık sekiz ila 20 dakika kalıyorlar. Herhangi bir zamanda, Güneş'in yüzeyi yaklaşık dört milyon granül içerir!

Konveksiyon meteorolojide veya hava çalışmalarında son derece önemlidir. Atmosferdeki sıcak ve soğuk hava akışı, farklı bulut şekillerinin yanı sıra gök gürültülü fırtınalar, kasırgalar ve hava cepheleri yaratan şeydir.

Biraz fırınlar konveksiyonla pişirilebilir. Konveksiyonlu fırınlar, pişirirken fırının içindeki havayı dolaştıran ve doğrudan yiyeceklerin üzerine sıcak hava üfleyen fanlar ve bir egzoz sistemi kullanır. Bu, yiyeceğin, fırının ısıtma elemanlarının yanına yerleştirildiğinde olacağından daha hızlı ve daha eşit şekilde pişmesini sağlar. Ayrıca fırının içini daha kuru ve daha az nemli hale getirir, bu da yiyecekleri kızartmak için daha iyi olabilir.

Dünyanın manyetik alanı, dış çekirdeğindeki konveksiyon akımlarından kaynaklanır. Dünyanın merkezinde, çoğunlukla demir ve nikelden oluşan sıvı bir dış çekirdekle çevrili katı bir iç çekirdek bulunur. Bu metallerin her ikisi de elektriği iyi iletir. Bu sıvı katmandaki konveksiyon akımları, sıvı metal içinde manyetik alanlar oluşturan elektrik akımları oluşturur; bu manyetik alanların toplamı, tüm pusulaları Kuzey Kutbu'na yönlendiren ve Dünya'yı kozmik radyasyondan koruyan Dünya'nın manyetik alanıdır.