Convectieve warmteoverdracht, vaak eenvoudigweg convectie genoemd, is de overdracht van warmte van de ene plaats naar de andere door de beweging van vloeistoffen. Convectie is meestal de dominante vorm van warmteoverdracht in vloeistoffen en gassen.
Convectie treedt op wanneer warmere gebieden van een vloeistof of gas stijgen naar koelere gebieden in de vloeistof of het gas. Koelere vloeistof of gas neemt dan de plaats in van de warmere gebieden die hoger zijn gestegen. Dit resulteert in een continu circulatiepatroon.
Convectie is een proces van warmteoverdracht. Wanneer stromen worden geproduceerd, wordt de materie van de ene locatie naar de andere verplaatst. Dit is dus ook een massaoverdrachtsproces.
Convectie is de stroom van warmte door een grote, macroscopische beweging van materie van een heet gebied naar een koel gebied, in tegenstelling tot de microscopische overdracht van warmte tussen atomen die betrokken zijn bij geleiding.
Stel dat we overwegen een lokaal gebied van de lucht te verwarmen. Naarmate deze lucht opwarmt, verspreiden de moleculen zich, waardoor dit gebied minder dicht wordt dan de omringende, onverwarmde lucht. Omdat het minder dicht is dan de omringende koelere lucht, zal de hete lucht vervolgens stijgen als gevolg van opwaartse krachten - deze beweging van hete lucht naar een koeler gebied zou dan warmte overdragen door convectie.
Water dat in een pan kookt is een goed voorbeeld van de overdracht van warmte door convectie. Wanneer de kachel voor het eerst wordt aangezet, wordt eerst warmte overgedragen door geleiding tussen de elementen door de bodem van de pot naar het water. Uiteindelijk begint het water echter te borrelen, deze bellen zijn in feite lokale gebieden van heet water die naar de oppervlakte stijgen, waardoor warmte van het hete water onderaan naar het koelere water bovenaan door convectie wordt overgedragen. Tegelijkertijd zal het koelere, dichtere water aan de bovenkant naar de bodem zinken, waar het vervolgens wordt verwarmd.
Een ander goed voorbeeld van convectie is in de atmosfeer. Het aardoppervlak wordt verwarmd door de zon, de warme lucht stijgt op en koele lucht komt naar binnen.
Convectie die van nature voorkomt, wordt natuurlijke convectie of vrije convectie genoemd. Als een vloeistof wordt gecirculeerd met behulp van een ventilator of een pomp, wordt dit geforceerde convectie genoemd. De cel gevormd door convectiestromen wordt een convectiecel of Benard-cel genoemd .
Een ander belangrijk voorbeeld van convectiestromen is het ontstaan van briesjes over landmassa's naast grote watermassa's. Water heeft een grotere warmtecapaciteit dan land en houdt de warmte daardoor beter vast. Het duurt daarom langer om de temperatuur te veranderen, zowel naar boven als naar beneden. Overdag zal de lucht boven het water dus koeler zijn dan die boven het land. Hierdoor ontstaat er een lagedrukgebied boven het land ten opzichte van het hogedrukgebied boven het water en waait er vervolgens een briesje van het water naar het land. Daarentegen koelt het water 's nachts langzamer af dan het land en is de lucht boven het water iets warmer dan boven het land. Hierdoor ontstaat er een lagedrukgebied boven het water ten opzichte van het hogedrukgebied boven het land en waait er een briesje van het land naar het water.
Soorten warmteconvectie
Warmteconvectie is van drie soorten: natuurlijk, geforceerd en gemengd.
- Geforceerde convectie - In één geval kan warmte passief worden gedragen door vloeistofbeweging, wat zelfs zou plaatsvinden zonder het verwarmingsproces, een warmteoverdrachtsproces dat losjes wordt aangeduid als geforceerde convectie.
- Natuurlijke convectie - In het andere geval kan verwarming zelf ervoor zorgen dat de vloeistof beweegt via uitzettings- en drijfkrachten, terwijl er tegelijkertijd warmte wordt getransporteerd door deze beweging - een proces dat losjes bekend staat als natuurlijke convectie of vrije convectie.
- Gemengde (gecombineerde) convectie is een combinatie van geforceerde en vrije convectie, wat het algemene geval is van convectie wanneer een stroom gelijktijdig wordt bepaald door zowel een extern forcerend systeem (dwz de buitenste energietoevoer naar het vloeistofgestroomlijnde lichaamssysteem) en een binnenste volumetrische ( massa) krachten, namelijk door de niet-uniforme dichtheidsverdeling van een vloeibaar medium in een zwaartekrachtveld.
Enkele alledaagse voorbeelden van natuurlijke convectie
- Kokend water – Kokend water in een kom werkt ook volgens het convectieprincipe. Wanneer het water begint te verwarmen, zetten de watermoleculen uit en bewegen ze in de pot. Zo wordt warmte overgedragen naar andere delen van de pot en begint het koude water te zinken terwijl het warme water stijgt.
- Een eenvoudig voorbeeld van convectiestromen is warme lucht die naar het plafond of de zolder van een huis stijgt. Warme lucht heeft een lagere dichtheid dan koude lucht en stijgt dus op.
- De wind is een voorbeeld van een convectiestroom. Zonlicht of gereflecteerd licht straalt warmte uit, waardoor een temperatuurverschil ontstaat waardoor de lucht gaat bewegen. Schaduwrijke of vochtige gebieden zijn koeler of kunnen warmte absorberen, wat bijdraagt aan het effect. Convectiestromen maken deel uit van wat de wereldwijde circulatie van de atmosfeer van de aarde aandrijft.
- Dampende kop warme drank – Mogelijk hebt u gezien dat er stoom uit een kop hete thee of koffie komt. Door de warmte van de vloeistof stijgt de warme lucht op. Deze warme lucht is stoom.
- IJs smelten - Warmte verplaatst zich naar het ijs vanuit de lucht. Dit zorgt ervoor dat het smelten van een vaste stof naar een vloeistof.
- Heteluchtballon - Een verwarming in de ballon verwarmt de lucht en dus beweegt de lucht naar boven. Dit zorgt ervoor dat de ballon omhoog gaat omdat de hete lucht erin vast komt te zitten. Wanneer de piloot wil dalen, laat hij een deel van de hete lucht vrij en komt er koele lucht voor in de plaats, waardoor de ballon zakt.
- Bevroren materiaal ontdooien – Bevroren voedsel ontdooit sneller onder koud stromend water dan wanneer het in water wordt geplaatst. Door de werking van het stromende water wordt warmte sneller aan het voedsel overgedragen.
- Onweer - Warm water uit de oceanen stijgt op in de lucht en verandert in verzadigde waterdruppels die wolken vormen. Wanneer dit proces doorgaat, botsen de kleinere wolken met elkaar en worden grotere wolken gevormd. Bij het bereiken van de laatste groeifase worden cumulonimbuswolken of onweersbuien gevormd.
Convectie in meteorologie en geologie
- Mantelconvectie - De rotsachtige mantel van de aarde beweegt langzaam vanwege de convectiestromen die warmte van het binnenste van de aarde naar het oppervlak overbrengen. Dit is de reden waarom de tektonische platen geleidelijk rond de aarde bewegen. Aan de groeiranden van een plaat wordt heet materiaal toegevoegd en daarna koelt het af. Aan de consumptieranden wordt het materiaal dicht door samen te trekken door de hitte en zakt het in de aarde in een oceaangeul. Dit veroorzaakt de vorming van vulkanen.
- Oceanische circulatie - Warm water rond de evenaar circuleert naar de polen en het koelere water aan de polen beweegt naar de evenaar.
- Het schoorsteen- of schoorsteeneffect - Dit is de beweging van lucht in en uit gebouwen, rookkanalen of andere objecten vanwege het drijfvermogen. In dit geval verwijst drijfvermogen naar de verschillende dichtheden in de lucht tussen de lucht binnen en de lucht buiten. De opwaartse kracht neemt toe door de grotere hoogte van de constructie en een groter verschil tussen het warmteniveau van de binnen- en buitenlucht.
- Convectie van een ster - Een ster heeft een convectiezone waar energie wordt verplaatst door convectie. Buiten de kern is een stralingszone waar plasma beweegt. Een convectiestroom ontstaat wanneer het plasma stijgt en het afgekoelde plasma daalt.
- Zwaartekrachtconvectie - Dit laat zien wanneer droog zout naar beneden diffundeert in natte grond, omdat zoet water drijft in zout water.
- Convectiestromen zijn duidelijk zichtbaar in de zon . De korrels die in de fotosfeer van de zon te zien zijn, zijn de toppen van convectiecellen. In het geval van de zon en andere sterren is de vloeistof plasma in plaats van een vloeistof of gas.
Geforceerde convectie
Dit is waar een extern apparaat zoals een ventilator, pomp of zuigapparaat wordt gebruikt om convectie te vergemakkelijken.
Hier zijn enkele voorbeelden van geforceerde convectie:
- Radiator - In de radiator wordt het verwarmingselement onderin de machine geplaatst. Zo wordt de warme lucht van dit verwarmingselement vervangen door koude lucht.
- Koelkast – Het vriesgedeelte wordt bovenaan geplaatst. De reden hierachter is dat de warme lucht in de koelkast zal stijgen, maar de koudere lucht in het vriesgedeelte zal zinken en het onderste gedeelte van de koelkast warm houden.
- Airconditioner – De koelunit in een airconditioner wordt bovenaan geplaatst. Zo stijgt warme lucht naar de koeleenheid, wordt deze vervangen door koude lucht en wordt de ruimte gekoeld.
- Heteluchtpopper - Het heeft een ventilator, een verwarmingselement en een ventilatieopening. Wanneer de popper is ingeschakeld, blaast de ventilator via de ventilatieopening lucht op het verwarmingselement. De lucht wordt warm en stijgt dus op. Popcornkorrels worden net boven het verwarmingselement geplaatst. De hete lucht stijgt op en de popcornpitten worden verwarmd. Zo komen wij aan onze heerlijke popcorn.
- Heteluchtoven – In een heteluchtoven wordt het principe van geforceerde convectie toegepast. De lucht in het compartiment wordt gedwongen te verwarmen door middel van verwarmingselementen. Door deze verwarming zetten de luchtmoleculen uit en bewegen ze. Door deze warme lucht wordt het voedsel binnenin gaar.
- Luchtgekoelde motor - Luchtgekoelde motoren worden gekoeld door convectiestromen in hun waterleidingen. De motor wordt, als hij lang draait, verwarmd. De warmte die wordt afgevoerd, moet worden gekoeld om de motor draaiende te houden. De motor is bedekt met een watermantel die verwarmd wordt. Door deze verwarming stroomt warm water door de leidingen die de motor omringen. Deze leidingen hebben ventilatoren waardoor het warme water wordt gekoeld. Dit warme water zakt door het convectieprincipe naar beneden, waardoor de motor afkoelt.
