Конвективная теплопередача, которую часто называют просто конвекцией, - это передача тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей. Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах.
Конвекция возникает, когда более теплые области жидкости или газа поднимаются к более холодным областям жидкости или газа. Более холодная жидкость или газ тогда заменяют более теплые области, которые поднялись выше. Это приводит к непрерывной циркуляции.
Конвекция - это процесс теплопередачи. Когда возникают токи, материя перемещается из одного места в другое. Итак, это тоже массообменный процесс.
Конвекция - это поток тепла через объемное макроскопическое движение вещества из горячей области в прохладную, в отличие от микроскопической передачи тепла между атомами, участвующими в проводимости.
Предположим, мы рассматриваем нагревание локальной области воздуха. Когда этот воздух нагревается, молекулы расширяются, в результате чего эта область становится менее плотной, чем окружающий ненагретый воздух. Будучи менее плотным, чем окружающий более холодный воздух, горячий воздух впоследствии будет подниматься из-за выталкивающих сил - это движение горячего воздуха в более прохладную область, как тогда говорят, передает тепло за счет конвекции.
Кипячение воды в кастрюле - хороший пример передачи тепла конвекцией. Когда печь впервые включается, тепло передается в первую очередь за счет теплопроводности между элементами через дно кастрюли к воде. Однако, в конце концов, вода начинает пузыриться, эти пузырьки на самом деле являются локальными областями горячей воды, поднимающейся к поверхности, тем самым передавая тепло от горячей воды внизу к более холодной воде вверху за счет конвекции. При этом более прохладная, более плотная вода вверху опускается на дно, где впоследствии нагревается.
Еще один хороший пример конвекции - это атмосфера. Поверхность земли нагревается солнцем, теплый воздух поднимается вверх, а прохладный входит внутрь.
Естественная конвекция называется естественной конвекцией или свободной конвекцией. Если жидкость циркулирует с помощью вентилятора или насоса, это называется принудительной конвекцией. Ячейка, образованная конвекционными токами, называется конвекционной ячейкой или ячейкой Бенара .
Другой важный пример конвекционных течений - это создание бризов над сушей рядом с большими водоемами. Вода имеет большую теплоемкость, чем земля, и поэтому лучше удерживает тепло. Следовательно, требуется больше времени, чтобы изменить свою температуру в сторону повышения или понижения. Таким образом, днем воздух над водой будет прохладнее, чем над сушей. Это создает зону низкого давления над сушей по сравнению с зоной высокого давления над водой, и впоследствии можно обнаружить, что с воды на сушу дует ветер. С другой стороны, ночью вода остывает медленнее, чем суша, и воздух над водой немного теплее, чем над сушей. Это создает зону низкого давления над водой по сравнению с зоной высокого давления над сушей, и с суши на воду дует ветер.
Типы тепловой конвекции
Тепловая конвекция бывает трех видов - естественная, принудительная и смешанная.
- Принудительная конвекция - в одном случае тепло может переноситься пассивно за счет движения жидкости, что происходило бы даже без процесса нагрева - процесса теплопередачи, который в общих чертах называется принудительной конвекцией.
- Естественная конвекция - в другом случае нагрев сам по себе может вызвать движение жидкости за счет сил расширения и плавучести, одновременно вызывая перенос тепла этим движением - процесс, широко известный как естественная конвекция или свободная конвекция.
- Смешанная (комбинированная) конвекция - это комбинация принудительной и свободной конвекции, которая является общим случаем конвекции, когда поток определяется одновременно как внешней принудительной системой (то есть внешней подачей энергии в систему тела с обтекаемой жидкостью), так и внутренней объемной ( масс) сил, а именно, неравномерным распределением плотности жидкой среды в поле силы тяжести.
Некоторые повседневные примеры естественной конвекции
- Кипящая вода - Кипячение воды в чаше также работает по принципу конвекции. Когда вода начинает нагреваться, молекулы воды расширяются и перемещаются в горшке. Таким образом, тепло передается другим частям горшка, и холодная вода начинает опускаться, а теплая вода поднимается.
- Простой пример конвекционных потоков - теплый воздух, поднимающийся к потолку или чердаку дома. Теплый воздух менее плотный, чем холодный, поэтому он поднимается вверх.
- Ветер - это пример конвекционного течения. Солнечный свет или отраженный свет излучает тепло, создавая разницу температур, которая заставляет воздух двигаться. Тенистые или влажные участки более прохладны или способны поглощать тепло, усиливая эффект. Конвекционные токи являются частью того, что движет глобальной циркуляцией атмосферы Земли.
- Дымящаяся чашка горячего напитка. Возможно, вы заметили пар, выходящий из чашки горячего чая или кофе. Благодаря теплу жидкости теплый воздух поднимается вверх. Этот теплый воздух - пар.
- Таяние льда - тепло перемещается ко льду из воздуха. Это вызывает плавление твердого вещества в жидкость.
- Воздушный шар - нагреватель внутри воздушного шара нагревает воздух, и воздух движется вверх. Это заставляет воздушный шар подниматься, потому что горячий воздух остается внутри. Когда пилот хочет спуститься, он выпускает часть горячего воздуха, и его место занимает холодный воздух, заставляя шар опускаться.
- Размораживание замороженного материала - замороженные продукты оттаивают быстрее под холодной проточной водой, чем если их поместить в воду. Воздействие проточной воды быстрее передает тепло блюдам.
- Гроза - теплая вода из океанов поднимается в воздух и превращается в насыщенные капли воды, которые образуют облака. Когда этот процесс продолжается, меньшие облака сталкиваются друг с другом и образуются большие облака. По достижении финальной стадии роста образуются кучево-дождевые облака или грозы.
Конвекция в метеорологии и геологии
- Конвекция в мантии - каменистая мантия Земли движется медленно из-за конвекционных потоков, которые переносят тепло из недр Земли на поверхность. Это причина того, что тектонические плиты постепенно перемещаются вокруг Земли. Горячий материал добавляется к растущим краям тарелки, а затем охлаждается. На краях потребления материал становится плотным из-за сжатия от тепла и погружается в Землю в океанической впадине. Это вызывает образование вулканов.
- Циркуляция океана - теплая вода вокруг экватора циркулирует к полюсам, а более холодная вода на полюсах движется к экватору.
- Эффект трубы или дымохода - это движение воздуха внутрь и наружу из зданий, дымоходов или других объектов из-за плавучести. В этом случае плавучесть относится к разной плотности воздуха между воздухом внутри и воздухом снаружи. Сила плавучести увеличивается из-за большей высоты конструкции и большей разницы между уровнем тепла внутреннего и внешнего воздуха.
- Конвекция звезды. У звезды есть зона конвекции, в которой энергия перемещается за счет конвекции. За пределами активной зоны находится зона излучения, в которой движется плазма. Конвекционный ток образуется, когда плазма поднимается, а остывшая плазма опускается.
- Гравитационная конвекция - это показывает, когда сухая соль диффундирует вниз во влажную почву, потому что пресная вода плавучести в соленой воде.
- На солнце видны конвекционные токи. Гранулы, видимые в фотосфере солнца, являются вершинами конвективных ячеек. В случае Солнца и других звезд жидкость - это плазма, а не жидкость или газ.
Принудительная конвекция
Здесь используется внешнее устройство, такое как вентилятор, насос или всасывающее устройство, для облегчения конвекции.
Вот несколько примеров принудительной конвекции:
- Радиатор - В радиаторе нагревательный элемент размещен внизу машины. Таким образом, теплый воздух от этого нагревательного элемента заменяется холодным.
- Холодильник - морозильная камера расположена вверху. Причина в том, что теплый воздух внутри холодильника поднимается вверх, но более холодный воздух в морозильной камере опускается и сохраняет нижнюю часть холодильника теплой.
- Кондиционер - блок охлаждения в кондиционере расположен вверху. Таким образом, теплый воздух поднимается к охлаждающему устройству, его заменяет холодный воздух, и помещение охлаждается.
- Поппер горячего воздуха - он имеет вентилятор, нагревательный элемент и вентиляционное отверстие. Когда поппер включен, вентилятор нагнетает воздух на нагревательный элемент через вентиляционное отверстие. Воздух становится теплым и поднимается вверх. Ядра попкорна кладут прямо над нагревательным элементом. Горячий воздух поднимается вверх, и ядра попкорна нагреваются. Так получается наш вкусный попкорн.
- Конвекционная печь - В конвекционной печи используется принцип принудительной конвекции. Воздух в отсеке нагревается с помощью нагревательных элементов. Из-за этого нагрева молекулы воздуха расширяются и перемещаются. Еда внутри готовится благодаря этому теплому воздуху.
- Двигатель с воздушным охлаждением - двигатели с воздушным охлаждением охлаждаются конвекционными токами в водяных трубах. Двигатель при длительной работе нагревается. Отводимое тепло необходимо охлаждать, чтобы двигатель работал. Двигатель закрыт водяной рубашкой с подогревом. За счет этого нагрева теплая вода течет по трубам, окружающим двигатель. В этих трубах есть вентиляторы, за счет которых теплая вода охлаждается. Эта теплая вода по принципу конвекции опускается вниз, охлаждая двигатель.
