単に対流と呼ばれることが多い対流熱伝達は、流体の移動によるある場所から別の場所への熱の移動です。対流は、通常、液体および気体における熱伝達の主要な形式です。
対流は、液体または気体の暖かい領域が液体または気体の冷たい領域に上昇するときに発生します。より冷たい液体または気体が、より高く上昇したより暖かい領域に置き換わります。これにより、連続的な循環パターンが得られます。
対流は熱伝達プロセスです。電流が発生すると、物質はある場所から別の場所に移動します。したがって、これも物質移動プロセスです。
対流は、伝導に関与する原子間の微視的な熱伝達とは対照的に、高温領域から低温領域への物質の巨視的な大規模な移動による熱の流れです。
空気の局所領域を加熱するとします。この空気が加熱されると、分子が広がり、この領域の密度が周囲の加熱されていない空気よりも低くなります。周囲の冷たい空気よりも密度が低いため、熱気は浮力によって上昇します。この熱気の冷たい領域への移動は、対流によって熱を伝達すると言われています。
鍋で沸騰する水は、対流による熱伝達の良い例です。ストーブが最初にオンになると、熱は要素間の伝導によって鍋の底を通って水に最初に伝達されます。しかし、最終的には水が泡立ち始めます。これらの泡は、実際には表面に上昇する温水の局所的な領域であり、対流によって底部の温水から上部の冷たい水に熱が伝達されます。同時に、上部の冷たくて密度の高い水が底に沈み、そこで加熱されます。
対流のもう 1 つの良い例は、大気中です。地球の表面は太陽によって暖められ、暖かい空気は上昇し、冷たい空気は内側に移動します。
自然に発生する対流を自然対流または自由対流と呼びます。ファンやポンプを使って流体を循環させることを強制対流と呼びます。対流によって形成されるセルは、対流セルまたはベナールセルと呼ばれます。
対流のもう 1 つの重要な例は、大きな水域に隣接する陸地での微風です。水は土地よりも熱容量が大きいため、熱をよりよく保持します。したがって、温度が上向きまたは下向きに変化するのに時間がかかります。したがって、日中、水上の空気は陸上の空気よりも冷たくなります。これにより、水面上の高圧領域と比較して、陸面上に低圧領域が作成され、その後、水から陸に風が吹いていることがわかります。一方、夜間は水が陸地よりもゆっくり冷えるため、水上の空気は陸地よりもわずかに熱くなります。これにより、陸地の高圧域に比べて水域の低圧域ができ、風が陸地から水域に吹きます。
熱対流の種類
熱対流には、自然、強制、混合の 3 種類があります。
- 強制対流- ある場合には、流体の動きによって熱が受動的に運ばれることがあります。これは、強制対流と大まかに呼ばれる熱伝達プロセスである加熱プロセスがなくても発生します。
- 自然対流- 別のケースでは、加熱自体によって流体が膨張力と浮力によって移動し、同時にこの動きによって熱が輸送されます。このプロセスは、自然対流または自由対流として大まかに知られています。
- 混合 (結合) 対流は強制対流と自由対流の組み合わせであり、流れが外部強制システム (つまり、流体流線型ボディ システムへの外部エネルギー供給) と内部容積 (質量) 力、つまり、重力場における流体媒体の不均一な密度分布によるものです。
自然対流の日常的な例
- 沸騰水– ボウル内の沸騰水も対流の原理で動作します。水が加熱され始めると、水分子が膨張してポット内で移動します。したがって、熱は鍋の他の部分に伝達され、冷たい水は沈み始め、温水は上昇します。
- 対流の簡単な例は、暖かい空気が家の天井や屋根裏に向かって上昇することです。暖かい空気は冷たい空気よりも密度が低いため、上昇します。
- 風は対流の一例です。太陽光や反射光が熱を放射し、温度差が生じて空気が移動します。日陰や湿った場所はより涼しく、熱を吸収できるため、効果が高まります。対流は、地球大気の地球規模の循環を駆動するものの一部です。
- 熱い飲み物の湯気– 熱いお茶やコーヒーから湯気が出ているのを見たことがあるかもしれません。流体の熱により、暖かい空気が上昇します。この暖かい空気が水蒸気です。
- 氷の融解– 熱が空気から氷に移動します。これにより、固体から液体への融解が起こります。
- 熱気球– 気球内のヒーターが空気を加熱し、空気が上に移動します。これにより、熱気が内部に閉じ込められるため、バルーンが上昇します。パイロットが降下したいとき、彼は熱気の一部を放出し、冷たい空気が代わりに気球を下降させます。
- 冷凍食品の解凍– 冷凍食品は、水に入れるよりも冷たい流水で解凍するほうが早く解凍できます。流水の作用により、熱がより速く食品に伝達されます。
- 雷雨- 海からの暖かい水が空気中に上昇し、雲を形成する飽和水滴に変わります。この過程が続くと、小さな雲同士がぶつかり合い、大きな雲が形成されます。成長の最終段階に達すると、積乱雲や雷雨が形成されます。
気象学と地質学における対流
- マントル対流- 地球の岩石のマントルは、地球の内部から表面まで熱を伝達する対流のためにゆっくりと移動します。これが、構造プレートが地球の周りを徐々に移動する理由です。プレートの成長するエッジに高温の材料を加えてから冷却します。消費の端では、材料は熱から収縮することによって高密度になり、海溝で地球に沈みます。これが火山の形成を引き起こします。
- 海洋循環– 赤道周辺の暖かい水が極に向かって循環し、極の冷たい水が赤道に向かって移動します。
- 煙突または煙突効果– これは、浮力による建物、煙道、またはその他の物体の内外への空気の移動です。この場合、浮力とは、内部の空気と外部の空気の間の空気の密度の違いを指します。構造物の高さが高くなり、内外の空気の温度差が大きくなるため、浮力が増加します。
- 星の対流- 星には、対流によってエネルギーが移動する対流ゾーンがあります。コアの外側は、プラズマが移動する放射ゾーンです。プラズマが上昇し、冷却されたプラズマが下降すると、対流が形成されます。
- 重力対流- 淡水は塩水中で浮力があるため、乾燥した塩が湿った土壌に下向きに拡散することを示します。
- 対流は太陽で明らかです。太陽の光球に見られる顆粒は、対流セルの頂点です。太陽や他の星の場合、流体は液体や気体ではなくプラズマです。
強制対流
これは、対流を促進するために、ファン、ポンプ、または吸引装置などの外部装置が使用される場所です。
強制対流の例を次に示します。
- ラジエーター- ラジエーターでは、発熱体が機械の下部に配置されています。したがって、この発熱体からの暖かい空気は冷たい空気に置き換えられます。
- 冷蔵庫- 冷凍庫ユニットは上部に配置されています。この背後にある理由は、冷蔵庫内の暖かい空気が上昇しますが、冷凍庫領域の冷たい空気が沈み、冷蔵庫の下部が暖かく保たれるためです.
- エアコン– エアコンの冷却ユニットは上部に配置されています。これにより、暖かい空気が冷却ユニットまで上昇し、冷たい空気に置き換えられ、部屋が冷却されます。
- 熱風ポッパー- ファン、発熱体、および通気口があります。ポッパーの電源を入れると、ファンが通気口から発熱体に空気を送ります。空気は暖かくなるので上昇します。ポップコーン カーネルは、発熱体のすぐ上に配置されます。熱い空気が上昇し、ポップコーンの粒が加熱されます。これがおいしいポップコーンの作り方です。
- 対流式オーブン- 対流式オーブンでは、強制対流の原理が使用されます。コンパートメント内の空気は、発熱体を使用して強制的に加熱されます。この加熱により、空気分子が膨張して動きます。この暖かい空気によって、中の食べ物が調理されます。
- 空冷エンジン– 空冷エンジンは、水パイプ内の対流によって冷却されます。エンジンは長時間運転すると熱くなります。エンジンを動かし続けるためには、放散された熱を冷却する必要があります。エンジンは加熱されたウォータージャケットで覆われています。この加熱により、温水がエンジンを取り囲むパイプを通って流れます。これらのパイプにはファンがあり、温水が冷却されます。この温水は、対流の原理によって沈み込み、エンジンを冷却します。
