Om du för handen närmare en påslagen elektrisk lampa eller placerar handflatan över en varm spis kan du känna rörelsen av varma luftströmmar. Samma effekt kan observeras när ett pappersark oscilleras över en öppen låga. Båda effekterna förklaras av konvektion.
Vad är det?
Fenomenet konvektion bygger på expansionen av ett kallare ämne i kontakt med heta massor. Under sådana omständigheter förlorar det uppvärmda ämnet sin densitet och blir lättare i jämförelse med det kalla utrymmet som omger det. Mest exakt motsvarar denna egenskap hos fenomenet värmeflödenas rörelse när vatten värms upp.
Molekylernas rörelse i motsatta riktningar under påverkan av uppvärmning är precis vad konvektion bygger på. Strålning och värmeledningsförmåga är liknande processer, men de handlar i första hand om överföring av värmeenergi i fasta ämnen.
Livliga exempel på konvektion - rörelsen av varm luft i mitten av ett rum med uppvärmningapparater, när uppvärmda strömmar rör sig under taket, och kall luft sjunker ner till själva ytan av golvet. Det är därför, när uppvärmningen är på, är luften längst upp i rummet märkbart varmare jämfört med botten av rummet.
Arkimedes lag och termisk expansion av fysiska kroppar
För att förstå vad naturlig konvektion är, räcker det att överväga processen med exemplet med Arkimedes-lagen och fenomenet expansion av kroppar under inverkan av termisk strålning. Så enligt lagen leder en ökning av temperaturen nödvändigtvis till en ökning av vätskevolymen. Vätskan som värms upp underifrån i behållarna stiger högre, respektive fukt med högre densitet rör sig lägre. Vid uppvärmning från ovan kommer mer och mindre täta vätskor att stanna kvar på sina ställen, varvid fenomenet inte inträffar.
Uppkomsten av konceptet
Termen "konvektion" föreslogs först av den engelske vetenskapsmannen William Prout redan 1834. Den användes för att beskriva rörelsen av termiska massor i upphettade, rörliga vätskor.
De första teoretiska studierna av fenomenet konvektion startade först 1916. Under experimenten fann man att övergången från diffusion till konvektion i vätskor som värms upp underifrån sker när vissa kritiska temperaturvärden uppnås. Senare definierades detta värde som "Roel-numret". Den fick så namn efter forskaren som studerade den. Resultaten av experimenten gjorde det möjligt att förklara värmeflödenas rörelse under påverkan av Arkimedes krafter.
Typer av konvektion
Det finns flera typer av fenomenet vi beskriver - naturlig och påtvingad konvektion. Ett exempel på rörelsen av varma och kalla luftflöden i mitten av ett rum är det bästa sättet att karakterisera processen med naturlig konvektion. När det gäller forcerad, kan det observeras när man blandar vätskan med en sked, pump eller omrörare.
Konvektion är omöjlig när fasta ämnen värms upp. Detta beror på den ganska starka ömsesidiga attraktionen under vibrationen av deras fasta partiklar. Som ett resultat av uppvärmning av fasta strukturkroppar förekommer inte konvektion och strålning. Värmeledningsförmåga ersätter dessa fenomen i sådana kroppar och bidrar till överföringen av värmeenergi.
Den så kallade kapillärkonvektionen är en separat typ. Processen uppstår när temperaturen ändras under rörelsen av vätska genom rören. Under naturliga förhållanden är betydelsen av sådan konvektion, tillsammans med naturlig och forcerad konvektion, ytterst obetydlig. Men inom rymdteknik blir kapillärkonvektion, strålning och värmeledningsförmåga hos material mycket betydelsefulla faktorer. Även de svagaste konvektiva rörelserna under viktlösa förhållanden gör det svårt att genomföra vissa tekniska uppgifter.
Konvektion i jordskorpans lager
Konvektionsprocesser är oupplösligt förbundna med den naturliga bildningen av gasformiga ämnen i tjockleken av jordskorpan. Globen kan betraktas som en sfär som består av flera koncentriska lager. I mitten finns en massiv het kärna, som är en flytande massa med hög densitet som innehåller järn,nickel, såväl som andra metaller.
De omgivande lagren för jordens kärna är litosfären och halvflytande manteln. Det översta lagret av jordklotet är direkt jordskorpan. Litosfären bildas av individuella plattor som är i fri rörelse och rör sig längs ytan av vätskemanteln. Vid ojämn uppvärmning av olika delar av manteln och bergarter, som skiljer sig åt i olika sammansättning och densitet, bildas konvektiva flöden. Det är under påverkan av sådana flöden som den naturliga omvandlingen av havsbotten och de bärande kontinenternas rörelse inträffar.
Skillnader mellan konvektion och värmeledning
Värmeledningsförmåga bör förstås som fysiska kroppars förmåga att överföra värme genom rörelse av atomära och molekylära föreningar. Metaller är utmärkta ledare av värme, eftersom deras molekyler är i nära kontakt med varandra. Tvärtom, gasformiga och flyktiga ämnen fungerar som dåliga värmeledare.
Hur sker konvektion? Processens fysik är baserad på överföring av värme på grund av den fria rörelsen av massan av molekyler av ämnen. I sin tur består värmeledningsförmågan enbart i överföringen av energi mellan de ingående partiklarna i en fysisk kropp. Båda processerna är dock omöjliga utan närvaron av materiepartiklar.
Exempel på fenomenet
Det enklaste och mest förståeliga exemplet på konvektion är processen med ett vanligt kylskåp. Omloppkyld freongas genom rören i kylkammaren leder till en minskning av temperaturen i de övre luftlagren. Följaktligen, när de ersätts av varmare bäckar, sjunker de kalla ned, vilket kyler produkterna.
Gallret på kylskåpets bakpanel spelar rollen som ett element som underlättar avlägsnandet av varm luft som bildas i enhetens kompressor under gaskompression. Gallerkylning är också baserad på konvektiva mekanismer. Det är av denna anledning som det inte rekommenderas att belamra utrymmet bakom kylskåpet. När allt kommer omkring, bara i detta fall kan kylning ske utan svårighet.
Andra exempel på konvektion kan ses genom att observera ett sådant naturfenomen som vindens rörelse. Värmer över torra kontinenter och svalnar över tuffare terräng, luftströmmar börjar förskjuta varandra, vilket får dem att röra sig, såväl som att flytta fukt och energi.
Möjligheten att sväva fåglar och segelflygplan är knuten till konvektion. Mindre täta och varmare luftmassor, med ojämn uppvärmning nära jordens yta, leder till bildandet av stigande strömmar, vilket bidrar till svävningsprocessen. För att övervinna de maximala avstånden utan att behöva förbruka styrka och energi, behöver fåglar förmågan att hitta sådana bäckar.
Bra exempel på konvektion är rökbildning i skorstenar och vulkankratrar. Rökens rörelse uppåt är baserad på dess högre temperatur och lägre densitet jämfört med omgivningen. När röken svalnar lägger den sig gradvis i de lägre skikten av atmosfären. Exakt på grund av denna anledningindustrirör, genom vilka skadliga ämnen släpps ut i atmosfären, görs så höga som möjligt.
De vanligaste exemplen på konvektion i natur och teknik
Bland de enklaste, lättförståeliga exemplen som kan observeras i naturen, vardagen och tekniken, bör vi lyfta fram:
- luftflöde under drift av hushållsvärmebatterier;
- bildande och rörelse av moln;
- processen för rörelse av vind, monsuner och vindar;
- skifte av tektoniska jordplattor;
- processer som leder till fri gasbildning.
Matlagning
Fenomenet med konvektion förverkligas i allt högre grad i moderna hushållsapparater, särskilt i ugnar. Gasskåpet med konvektion gör att du kan laga olika rätter samtidigt på olika nivåer vid olika temperaturer. Detta eliminerar helt blandning av smaker och lukter.
Den traditionella ugnen är beroende av en enda brännare för att värma luften, vilket resulterar i ojämn värmefördelning. På grund av den målmedvetna rörelsen av varma luftströmmar med hjälp av en specialiserad fläkt, visar sig rätter i en varmluftsugn vara saftigare och bättre bakade. Sådana enheter värms upp snabbare, vilket minskar tiden som krävs för matlagning.
Självklart, för hemmafruar som lagar mat i ugnen bara några gånger om året, en hushållsapparat medKonvektionsfunktionen kan inte kallas en teknik av första nödvändighet. Men för dem som inte kan leva utan kulinariska experiment blir en sådan anordning helt enkelt oumbärlig i köket.
Vi hoppas att materialet som presenterades var användbart för dig. Lycka till!
