Тепло на самому основному рівні - це кінетична енергія атомів і молекул. Конвекція впливає на все - від опалення вашого будинку до процесу теплопередачі на сонці.
Зв'язок між температурою та щільністю
У міру нагрівання твердої речовини, рідини або газу атоми або молекули, що входять до її складу, вібрують все більше і більше; ці підвищені вібрації вимагають більшого обсягу для кожного атома / молекули.
У газі це виражається не як "вібрація", а як збільшена швидкість для частинок і, отже, підвищений тиск на ємність з газом. З цієї причини більшість матеріалів розширювати в міру нагрівання. Найбільше це відбувається в газах, але в меншій мірі - у рідинах і твердих речовинах.
Коли щось розширюється, воно стає менш щільним; в одиниці об’єму частинок менше і, отже, менше маси, ніж було раніше. Але в рідинах і газах (рідинах) область меншої щільності підніметься і буде плавати над областями вищої щільності через вплив сили тяжіння. Ці дві концепції, що тепло викликає зменшення щільності і що рідини піднімаються та падають відповідно до щільності, об'єднують, створюючи
явище тепловіддачі конвекції.Визначення конвекції
Конвекція - це метод передачі теплової енергії, коли передача тепла відбувається за допомогою руху рідини. Цей рух рідини обумовлений різницею щільності між більш гарячими областями рідини та прохолоднішими областями. Ці рухи називаються конвекційні струми, а конвективний рух рідини триває до тих пір, поки існує різниця температур між регіонами.
Ця різниця температур особливо різка, коли на одній стороні рідини є джерело тепла, наприклад, обігрівач біля підлоги кімнати. Тепле повітря внизу безперервно рухається вгору, тоді як більш прохолодне повітря рухається вниз для нагрівання, а потім згодом також рухається вгору. Рух повітря викликає кругові течії, які триватимуть, доки повітря не досягне рівноважної температури; склянка води кімнатної температури, як правило, не матиме конвективних струмів, тоді як склянка води з льодом у ній матиме конвективний струм.
Конвекція часто описується як поєднання двох фізичних процесів: адвекції та дифузії. Адвекція - це транспортування речовини об’ємним рухом, наприклад переміщення мулу русла річки потоком річки. Дифузія це транспорт речовини шляхом руху частинок із зони високої концентрації в область низької концентрації, наприклад, переміщення частинок барвника, що поширюються через склянку води.
Оскільки конвекція переміщує гарячішу речовину вище, а холодну речовину - нижче, вона робить це, переміщаючи речовину навалом (адвекція) і частинками (дифузія).
За визначенням, конвекція не може відбуватися у твердих речовинах через неможливість створити потік рідини в твердій речовині (частинки не можуть рухатися відносно один одного, а можуть лише вібрувати на місці). Теплообмін у твердих речовинах відбувається замість цього шляхом провідності або передачі коливальної енергії від одного атома або молекули у твердому кристалі до своїх сусідів. Є деякі винятки з цього в м’яких твердих речовинах, де частинки можуть рухатися одна проти одної.
Опалення та охолодження вашого будинку
Пам’ятаючи про конвекцію, ви можете ефективніше опалювати або охолоджувати будинок. Оскільки гаряче повітря має тенденцію підніматися, а прохолодне повітря має тенденцію опускатися, це допомагає розміщувати обігрівачі ближче до підлоги, а кондиціонери вище.
Стельові вентилятори зазвичай може діяти в обох напрямках: або продувати повітря зверху, або продувати повітря знизу. Здувати повітря зазвичай корисно влітку, тому ви відчуваєте, як конвективний вітерець охолоджує шкіру; підтягування повітря корисно взимку, оскільки воно допомагає штовхати високе гаряче повітря вниз і назовні до стін, не дуючи прямо на вас.
Замерзаюче озеро
Охолоджуючись, вода стискається і стає більш щільною, як і більшість інших речовин. Однак, коли він охолоджується приблизно до 4 градусів Цельсія, він насправді починає трохи розширюватися. Вода досить унікальна тим, що її тверда форма, лід, менш щільна, ніж рідка. Тож, як правило, він охолоджується, але в певний момент ця тенденція змінюється, і вона починає розширюватися до точки замерзання при 0 градусах Цельсія. Це впливає на те, як працює конвекція в замерзаючому озері.
Коли вода в озері охолоджується, вона тоне, коли тепліша вода піднімається, але лише до тих пір, поки все озеро не перевищить 4 градуси Цельсія. На цьому етапі конвекція змінюється: вода, холодніша за 4 градуси Цельсія, менш щільна, ніж тепліша вода, це означає, що верхня частина озера стає холоднішою, ніж дно та лід форми. Ось чому озера спочатку замерзають зверху.
Сонячна конвекція
Сонце (як і більшість зірок) зазнає внутрішньої конвекції з більш гарячою та холодною плазмою. Усередині зони конвекції Сонця, яка тягнеться всередину від зовнішньої поверхні, теплова енергія передається від гарячої сонячної внутрішньої частини до більш прохолодних зовнішніх областей за допомогою конвекційних струмів.
Це створює "клітини конвекції, "які темні та світлі плями ви можете побачити на поверхні Сонця. Світлі плями - це конвекційні комірки гарячої плазми, яка щойно піднялася зсередини; темні плями - це конвекційні клітини плазми, які охололи і незабаром впадуть назад через зону конвекції.
Ці темні і світлі плями також іноді називають сонячними гранулами. Вони в середньому мають діаметр близько 1000 км (приблизно довжина штату Каліфорнія) і тримаються на поверхні лише близько восьми-20 хвилин. У будь-який час поверхня Сонця містить близько чотирьох мільйонів гранул!
Інші приклади конвекції
Конвекція надзвичайно важлива в метеорології або вивченні погоди. Потік теплого і прохолодного повітря через атмосферу - це те, що створює різні форми хмар, а також грози, торнадо та фронти погоди.
Деякі духовки здатні випікати конвекцією. У конвекційних печах використовуються вентилятори та витяжна система, які циркулюють повітря всередині духовки під час випікання, продуваючи гаряче повітря прямо через продукти. Це дозволяє їжі готуватись швидше і рівномірніше, ніж, якби її просто розмістили біля нагрівальних елементів духовки. Це також робить внутрішню частину духовки сухішою та менш вологою, що може бути кращим для підрум’янення їжі.
Магнітне поле Землі спричинене конвекційними струмами у її зовнішньому ядрі. У центрі Землі знаходиться тверде внутрішнє ядро, оточене рідким зовнішнім ядром, яке складається переважно із заліза та нікелю. Обидва ці метали є хорошими провідниками електрики. Струми конвекції в цьому шарі рідини створюють електричні струми в рідкому металі, які створюють магнітні поля; сума цих магнітних полів - це магнітне поле Землі, яке спрямовує всі компаси на Північний полюс і захищає Землю від космічного випромінювання.