Konvektivni prijenos topline koji se često naziva jednostavno konvekcijom, je prijenos topline s jednog mjesta na drugo kretanjem tekućina. Konvekcija je obično dominantan oblik prijenosa topline u tekućinama i plinovima.
Konvekcija se događa kada se toplija područja tekućine ili plina dižu do hladnijih područja tekućine ili plina. Hladnija tekućina ili plin tada zauzima mjesto toplijih područja koja su se podigla više. To rezultira kontinuiranim obrascem cirkulacije.
Konvekcija je proces prijenosa topline. Kada se stvaraju struje, materija se premješta s jednog mjesta na drugo. Dakle, ovo je također proces masovnog prijenosa.
Konvekcija je protok topline kroz masivno, makroskopsko kretanje tvari iz vrućeg područja u hladno područje, za razliku od mikroskopskog prijenosa topline između atoma uključenih u vođenje.
Pretpostavimo da razmatramo grijanje lokalnog područja zraka. Kako se ovaj zrak zagrijava, molekule se šire, uzrokujući da ovo područje postaje manje gusto od okolnog, nezagrijanog zraka. Budući da je manje gust od okolnog hladnijeg zraka, vrući zrak će se naknadno podići zbog uzgonskih sila – za ovo kretanje vrućeg zraka u hladnije područje se tada kaže da prenosi toplinu konvekcijom.
Voda koja ključa u tavi dobar je primjer prijenosa topline konvekcijom. Kada se štednjak prvi put uključi, toplina se najprije prenosi vođenjem između elemenata kroz dno lonca do vode. Međutim, na kraju, voda počinje mjehurići, ti mjehurići su zapravo lokalna područja tople vode koja se diže na površinu, prenoseći tako toplinu iz tople vode na dnu na hladniju vodu na vrhu konvekcijom. U isto vrijeme, hladnija, gušća voda na vrhu će potonuti na dno, gdje se naknadno zagrijava.
Još jedan dobar primjer konvekcije je u atmosferi. Zemljinu površinu zagrijava sunce, topli zrak se diže, a hladan zrak ulazi unutra.
Konvekcija koja se događa prirodno naziva se prirodna konvekcija ili slobodna konvekcija. Ako tekućina cirkulira pomoću ventilatora ili pumpe, to se naziva prisilna konvekcija. Ćelija nastala konvekcijskim strujama naziva se konvekcijska ili Benardova ćelija .
Drugi važan primjer konvekcijskih struja je stvaranje povjetarca nad kopnenim masama pored velikih vodenih tijela. Voda ima veći toplinski kapacitet od zemlje i stoga bolje zadržava toplinu. Stoga mu je potrebno više vremena da promijeni svoju temperaturu, bilo naviše ili naniže. Tako će tijekom dana zrak iznad vode biti hladniji od onog nad kopnom. To stvara područje niskog tlaka nad kopnom, u odnosu na područje visokog tlaka nad vodom, a zatim se pronalazi povjetarac koji puše iz vode na kopno. S druge strane, tijekom noći voda se hladi sporije od kopna, a zrak iznad vode je nešto topliji nego nad kopnom. To stvara područje niskog tlaka iznad vode u odnosu na područje visokog tlaka nad kopnom, a povjetarac će puhati s kopna u vodu.
Vrste toplinske konvekcije
Toplinska konvekcija je tri vrste - prirodna, prisilna i mješovita.
- Prisilna konvekcija - U jednom slučaju, toplina se može pasivno prenositi gibanjem tekućine, što bi se dogodilo čak i bez procesa zagrijavanja, procesa prijenosa topline koji se slobodno naziva prisilna konvekcija.
- Prirodna konvekcija - U drugom slučaju, samo zagrijavanje može uzrokovati kretanje tekućine putem sila širenja i uzgona, dok istovremeno uzrokuje prijenos topline ovim gibanjem - proces koji je slabo poznat kao prirodna konvekcija ili slobodna konvekcija.
- Mješovita (kombinirana) konvekcija je kombinacija prisilne i slobodne konvekcije što je opći slučaj konvekcije kada je protok određen istovremeno i vanjskim prisilnim sustavom (tj. vanjskom opskrbom energijom tjelesnom sustavu strujanog fluida) i unutarnjim volumetrijskim ( mase) sile, tj. nejednakom raspodjelom gustoće fluidnog medija u gravitacijskom polju.
Neki svakodnevni primjeri prirodne konvekcije
- Kipuća voda – Kipuća voda u posudi također radi na principu konvekcije. Kada se voda počne zagrijavati, molekule vode se šire i pomiču u loncu. Tako se toplina prenosi na druge dijelove lonca i hladna voda počinje tonuti dok topla voda raste.
- Jednostavan primjer konvekcijskih struja je topli zrak koji se diže prema stropu ili potkrovlju kuće. Topli zrak je manje gustoće od hladnog zraka, pa se diže.
- Vjetar je primjer konvekcijske struje. Sunčeva svjetlost ili reflektirana svjetlost zrači toplinu, stvarajući temperaturnu razliku koja uzrokuje kretanje zraka. Sjenovita ili vlažna područja su hladnija ili mogu apsorbirati toplinu, dodajući učinak. Konvekcijske struje dio su onoga što pokreće globalnu cirkulaciju Zemljine atmosfere.
- Šalica toplog napitka koja se kuha na pari – Možda ste primijetili da para izlazi iz šalice vrućeg čaja ili kave. Zbog topline tekućine, topli zrak se diže prema gore. Ovaj topli zrak je para.
- Otapanje leda – Toplina prelazi na led iz zraka. To uzrokuje taljenje iz krutog u tekućinu.
- Balon na vrući zrak – Grijač unutar balona zagrijava zrak i tako se zrak kreće prema gore. To uzrokuje dizanje balona jer se vrući zrak zadržava unutra. Kada se pilot želi spustiti, ispušta dio vrućeg zraka, a hladan zrak zauzima njegovo mjesto, uzrokujući spuštanje balona.
- Odmrzavanje smrznutog materijala – Smrznuta hrana se brže otapa pod hladnom tekućom vodom nego ako je stavljena u vodu. Djelovanje tekuće vode brže prenosi toplinu u hranu.
- Oluja s grmljavinom – Topla voda iz oceana diže se u zrak i pretvara se u zasićene vodene kapi koje tvore oblake. Kada se ovaj proces nastavi, manji oblaci se sudaraju i nastaju veći oblaci. Po dolasku u završnu fazu rasta nastaju kumulonimbusi ili grmljavina.
Konvekcija u meteorologiji i geologiji
- Konvekcija plašta – Zemljin kameni plašt pomiče se sporo zbog konvekcijskih struja koje prenose toplinu iz unutrašnjosti Zemlje na površinu. To je razlog zašto se tektonske ploče postupno kreću oko Zemlje. Vrući materijal se dodaje na rastuće rubove tanjura, a zatim se hladi. Na rubovima potrošnje, materijal postaje gust skupljanjem od topline i tone u Zemlju u oceanskom rovu. To pokreće stvaranje vulkana.
- Oceanska cirkulacija – Topla voda oko ekvatora kruži prema polovima, a hladnija voda na polovima kreće se prema ekvatoru.
- Efekt dimnjaka ili dimnjaka – to je kretanje zraka u i iz zgrada, dimovodnih kanala ili drugih objekata zbog uzgona. U ovom slučaju, uzgon se odnosi na različite gustoće u zraku između zraka iznutra i zraka izvana. Sila uzgona povećava se zbog veće visine konstrukcije i veće razlike između razine topline unutarnjeg i vanjskog zraka.
- Konvekcija zvijezde - Zvijezda ima konvekcijsku zonu u kojoj se energija pomiče konvekcijom. Izvan jezgre je zona zračenja u kojoj se plazma kreće. Konvekcijska struja nastaje kada se plazma diže, a ohlađena plazma spušta.
- Gravitacijska konvekcija - Ovo pokazuje kada suha sol difundira prema dolje u mokro tlo jer slatka voda pluta u slanoj vodi.
- Konvekcijske struje su očite na suncu . Granule koje se vide u sunčevoj fotosferi su vrhovi konvekcijskih stanica. U slučaju sunca i drugih zvijezda, tekućina je plazma, a ne tekućina ili plin.
Prisilna konvekcija
Ovdje se koristi vanjski uređaj kao što je ventilator, pumpa ili usisni uređaj za olakšavanje konvekcije.
Evo nekoliko primjera prisilne konvekcije:
- Radijator - U radijatoru se grijaći element nalazi na dnu stroja. Tako se topli zrak iz ovog grijaćeg elementa zamjenjuje hladnim zrakom.
- Hladnjak – Zamrzivač se nalazi na vrhu. Razlog tome je taj što će se topli zrak unutar hladnjaka podići, ali će hladniji zrak u području zamrzivača potonuti i održavati donji dio hladnjaka toplim.
- Klima uređaj – Rashladna jedinica u klima uređaju nalazi se na vrhu. Tako se topli zrak diže do rashladne jedinice, zamjenjuje se hladnim zrakom, a prostorija se hladi.
- Popper za vrući zrak – ima ventilator, grijaći element i ventilacijski otvor. Kada je popper uključen, ventilator puše zrak na grijaći element kroz otvor za ventilaciju. Zrak se zagrijava i tako se diže. Zrna kokica postavljaju se neposredno iznad grijaćeg elementa. Vrući zrak se diže i zrna kokica se zagrijavaju. Ovako dobivamo naše ukusne kokice.
- Konvekcijska pećnica – U konvekcijskoj pećnici se koristi princip prisilne konvekcije. Zrak u odjeljku se zagrijava pomoću grijaćih elemenata. Zbog tog zagrijavanja, molekule zraka se šire i pomiču. Hrana unutra se kuha zbog ovog toplog zraka.
- Zračno hlađeni motori – Zračno hlađeni motori se hlade konvekcijskim strujama u njihovim vodovodnim cijevima. Motor se nakon dugog rada zagrijava. Toplinu koja se raspršuje potrebno je ohladiti kako bi motor radio. Motor je prekriven vodenim plaštom koji se zagrijava. Zbog ovog zagrijavanja, topla voda teče kroz cijevi koje okružuju motor. Ove cijevi imaju ventilatore zahvaljujući kojima se topla voda hladi. Ova topla voda, po principu konvekcije, tone prema dolje i tako hladi motor.
