Back to the topics list

konwekcja

Konwekcyjne przenoszenie ciepła, często określane po prostu jako konwekcja, to przenoszenie ciepła z jednego miejsca do drugiego poprzez ruch płynów. Konwekcja jest zwykle dominującą formą wymiany ciepła w cieczach i gazach.

Konwekcja występuje, gdy cieplejsze obszary cieczy lub gazu wznoszą się do chłodniejszych obszarów cieczy lub gazu. Chłodniejsza ciecz lub gaz zajmuje wtedy miejsce cieplejszych obszarów, które wzniosły się wyżej. Powoduje to ciągły wzór obiegu.

Konwekcja to proces wymiany ciepła. Kiedy wytwarzane są prądy, materia jest przenoszona z jednego miejsca do drugiego. Jest to więc również proces przenoszenia masy.

Konwekcja to przepływ ciepła przez masowy, makroskopowy ruch materii z obszaru gorącego do obszaru chłodnego, w przeciwieństwie do mikroskopijnego przenoszenia ciepła między atomami biorącego udział w przewodzeniu.

Załóżmy, że rozważamy ogrzanie lokalnego obszaru powietrza. Gdy to powietrze się nagrzewa, cząsteczki rozprzestrzeniają się, powodując, że ten obszar staje się mniej gęsty niż otaczające, nieogrzewane powietrze. Będąc mniej gęstym niż otaczające chłodniejsze powietrze, gorące powietrze będzie następnie unosić się z powodu sił wyporu - mówi się, że ten ruch gorącego powietrza do chłodniejszego obszaru przenosi ciepło przez konwekcję.

Gotowanie wody na patelni jest dobrym przykładem przenoszenia ciepła przez konwekcję. Przy pierwszym uruchomieniu pieca ciepło jest przekazywane najpierw przez przewodzenie między elementami przez dno garnka do wody. Jednak w końcu woda zaczyna bulgotać, te bąbelki są w rzeczywistości lokalnymi obszarami gorącej wody unoszącej się na powierzchnię, przenosząc w ten sposób ciepło z gorącej wody na dole do chłodniejszej wody na górze przez konwekcję. W tym samym czasie chłodniejsza, bardziej gęsta woda na górze opada na dno, gdzie jest następnie podgrzewana.

Innym dobrym przykładem konwekcji jest atmosfera. Powierzchnia ziemi jest ogrzewana przez słońce, ciepłe powietrze unosi się i napływa chłodne powietrze.

Konwekcja występująca naturalnie nazywana jest konwekcją naturalną lub konwekcją swobodną. Jeśli płyn krąży za pomocą wentylatora lub pompy, nazywa się to konwekcją wymuszoną. Komórka utworzona przez prądy konwekcyjne nazywana jest komórką konwekcyjną lub komórką Benarda .

Innym ważnym przykładem prądów konwekcyjnych jest powstawanie bryzy nad masami lądowymi obok dużych zbiorników wodnych. Woda ma większą pojemność cieplną niż ziemia, a zatem lepiej zatrzymuje ciepło. Dlatego zmiana temperatury w górę lub w dół trwa dłużej. Tak więc w ciągu dnia powietrze nad wodą będzie chłodniejsze niż nad lądem. Tworzy to obszar niskiego ciśnienia nad lądem w stosunku do obszaru wysokiego ciśnienia nad wodą, a następnie można znaleźć bryzy wiejące od wody do lądu. Z drugiej strony w nocy woda ochładza się wolniej niż ląd, a powietrze nad wodą jest nieco cieplejsze niż nad lądem. Tworzy to obszar niskiego ciśnienia nad wodą w stosunku do obszaru wysokiego ciśnienia nad lądem, a bryzy będą wiać od lądu do wody.

Rodzaje konwekcji ciepła

Konwekcja ciepła jest trojakiego rodzaju – naturalna, wymuszona i mieszana.

• Konwekcja wymuszona - W jednym przypadku ciepło może być przenoszone biernie przez ruch płynu, co miałoby miejsce nawet bez procesu ogrzewania, procesu wymiany ciepła określanego luźno jako konwekcja wymuszona.
• Konwekcja naturalna - W innym przypadku samo ogrzewanie może powodować ruch płynu poprzez siły rozprężania i wyporu, jednocześnie powodując transport ciepła przez ten ruch - proces znany jako konwekcja naturalna lub konwekcja swobodna.
• Konwekcja mieszana (połączona) jest połączeniem konwekcji wymuszonej i swobodnej, co jest ogólnym przypadkiem konwekcji, gdy przepływ jest determinowany jednocześnie zarówno przez zewnętrzny system wymuszający (tj. masa) siły, mianowicie przez nierównomierny rozkład gęstości ośrodka płynnego w polu grawitacyjnym.

Kilka codziennych przykładów konwekcji naturalnej

1. Wrząca woda – Wrząca woda w misce również działa na zasadzie konwekcji. Kiedy woda zaczyna się nagrzewać, cząsteczki wody rozszerzają się i poruszają w garnku. W ten sposób ciepło jest przenoszone do innych części garnka, a zimna woda zaczyna opadać, podczas gdy ciepła podnosi się.
2. Prostym przykładem prądów konwekcyjnych jest ciepłe powietrze unoszące się w kierunku sufitu lub strychu domu. Ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość niż chłodne, więc unosi się.
3. Wiatr jest przykładem prądu konwekcyjnego. Światło słoneczne lub światło odbite promieniuje ciepło, tworząc różnicę temperatur, która powoduje ruch powietrza. Zacienione lub wilgotne obszary są chłodniejsze lub mogą pochłaniać ciepło, co potęguje efekt. Prądy konwekcyjne są częścią tego, co napędza globalną cyrkulację ziemskiej atmosfery.
4. Parująca filiżanka gorącego napoju – Być może zauważyłeś parę wydobywającą się z filiżanki gorącej herbaty lub kawy. Z powodu ciepła płynu ciepłe powietrze unosi się. To ciepłe powietrze to para.
5. Topnienie lodu - Ciepło przenosi się do lodu z powietrza. Powoduje to topnienie ciała stałego w ciecz.
6. Balon na ogrzane powietrze – grzałka wewnątrz balonu podgrzewa powietrze, dzięki czemu powietrze porusza się w górę. To powoduje, że balon unosi się, ponieważ gorące powietrze zostaje uwięzione w środku. Kiedy pilot chce zejść, wypuszcza część gorącego powietrza, a jego miejsce zajmuje chłodne powietrze, powodując obniżenie balonu.
7. Rozmrażanie zamrożonego materiału – Zamrożona żywność rozmraża się szybciej pod zimną bieżącą wodą niż po umieszczeniu w wodzie. Działanie bieżącej wody szybciej przenosi ciepło do żywności.
8. Burza z piorunami - Ciepła woda z oceanów unosi się w powietrze i zamienia się w nasycone krople wody, które tworzą chmury. Gdy proces ten trwa, mniejsze chmury zderzają się ze sobą i powstają większe chmury. Po osiągnięciu końcowej fazy wzrostu powstają chmury cumulonimbus lub burze.

Konwekcja w meteorologii i geologii

1. Konwekcja płaszcza - Skalisty płaszcz Ziemi porusza się powoli z powodu prądów konwekcyjnych, które przenoszą ciepło z wnętrza Ziemi na powierzchnię. To jest powód, dla którego płyty tektoniczne poruszają się stopniowo wokół Ziemi. Gorący materiał jest dodawany na rosnących krawędziach płyty, a następnie ochładzany. Na krawędziach zużycia materiał staje się gęsty w wyniku kurczenia się pod wpływem ciepła i opada na Ziemię w rowie oceanicznym. Powoduje to powstawanie wulkanów.
2. Cyrkulacja oceaniczna – Ciepła woda wokół równika krąży w kierunku biegunów, a chłodniejsza woda na biegunach przesuwa się w kierunku równika.
3. Efekt komina lub komina – Jest to ruch powietrza do iz budynków, przewodów kominowych lub innych obiektów z powodu wyporu. W tym przypadku wypór odnosi się do różnych gęstości powietrza między powietrzem wewnątrz a powietrzem na zewnątrz. Siła wyporu wzrasta ze względu na większą wysokość konstrukcji i większą różnicę między poziomem ciepła powietrza wewnętrznego i zewnętrznego.
4. Konwekcja gwiazdy - Gwiazda ma strefę konwekcji, w której energia jest przenoszona przez konwekcję. Na zewnątrz rdzenia znajduje się strefa promieniowania, w której porusza się plazma. Prąd konwekcyjny powstaje, gdy plazma unosi się, a schłodzona plazma opada.
5. Konwekcja grawitacyjna - pokazuje, kiedy sucha sól dyfunduje w dół do mokrej gleby, ponieważ słodka woda unosi się w słonej wodzie.
6. Prądy konwekcyjne są widoczne w słońcu . Granulki widoczne w fotosferze Słońca to wierzchołki komórek konwekcyjnych. W przypadku Słońca i innych gwiazd płynem jest raczej plazma niż ciecz lub gaz.

Wymuszona konwekcja

W tym przypadku stosuje się urządzenie zewnętrzne, takie jak wentylator, pompa lub urządzenie ssące, aby ułatwić konwekcję.

Oto kilka przykładów konwekcji wymuszonej:

1. Grzejnik - W grzejniku element grzejny znajduje się w dolnej części urządzenia. W ten sposób ciepłe powietrze z tego elementu grzejnego jest zastępowane zimnym powietrzem.
2. Lodówka – Zamrażarka jest umieszczona na górze. Powodem tego jest to, że ciepłe powietrze wewnątrz lodówki unosi się, ale zimniejsze powietrze w obszarze zamrażarki opada i utrzymuje ciepło w dolnej części lodówki.
3. Klimatyzator – Jednostka chłodząca w klimatyzatorze jest umieszczona na górze. W ten sposób ciepłe powietrze unosi się do klimatyzatora, jest zastępowane zimnym powietrzem i pomieszczenie zostaje schłodzone.
4. Popper gorącego powietrza – ma wentylator, element grzejny i odpowietrznik. Gdy popper jest włączony, wentylator nadmuchuje powietrze na element grzejny przez otwór wentylacyjny. Powietrze staje się ciepłe i w ten sposób unosi się. Ziarna popcornu umieszcza się tuż nad elementem grzejnym. Gorące powietrze unosi się, a ziarna popcornu są podgrzewane. W ten sposób otrzymujemy nasz pyszny popcorn.
5. Piec konwekcyjny – W piecu konwekcyjnym stosowana jest zasada konwekcji wymuszonej. Powietrze w pomieszczeniu jest ogrzewane za pomocą elementów grzejnych. Z powodu tego ogrzewania cząsteczki powietrza rozszerzają się i poruszają. Jedzenie w środku jest gotowane dzięki temu ciepłemu powietrzu.
6. Silnik chłodzony powietrzem – Silniki chłodzone powietrzem są chłodzone przez prądy konwekcyjne w rurach wodnych. Silnik pracujący przez długi czas nagrzewa się. Ciepło, które jest rozpraszane, musi zostać schłodzone, aby silnik mógł pracować. Silnik jest osłonięty płaszczem wodnym, który jest podgrzewany. Dzięki temu ogrzewaniu ciepła woda przepływa przez rury otaczające silnik. Rury te posiadają wentylatory, dzięki którym ciepła woda jest schładzana. Ta ciepła woda, na zasadzie konwekcji, opada w dół, chłodząc w ten sposób silnik.