Konvektiv värmeöverföring, ofta kallad konvektion, är överföring av värme från en plats till en annan genom förflyttning av vätskor. Konvektion är vanligtvis den dominerande formen av värmeöverföring i vätskor och gaser.
Konvektion uppstår när varmare områden av en vätska eller gas stiger till kallare områden i vätskan eller gasen. Kallare vätska eller gas ersätter då de varmare områdena som har stigit högre. Detta resulterar i ett kontinuerligt cirkulationsmönster.
Konvektion är en värmeöverföringsprocess. När strömmar produceras flyttas materien från en plats till en annan. Så detta är också en massöverföringsprocess.
Konvektion är värmeflödet genom en bulk, makroskopisk rörelse av materia från ett varmt område till ett kallt område, i motsats till den mikroskopiska överföringen av värme mellan atomer som är involverade i ledning.
Anta att vi överväger att värma upp en lokal del av luften. När denna luft värms upp sprider sig molekylerna, vilket gör att denna region blir mindre tät än den omgivande, ouppvärmda luften. Eftersom den är mindre tät än den omgivande svalare luften kommer den varma luften därefter att stiga på grund av flytkrafter - denna rörelse av varm luft till ett svalare område sägs sedan överföra värme genom konvektion.
Vatten som kokar i en kastrull är ett bra exempel på överföring av värme genom konvektion. När kaminen sätts på för första gången överförs värmen först genom ledning mellan elementen genom botten av grytan till vattnet. Men så småningom börjar vattnet bubbla, dessa bubblor är faktiskt lokala områden av varmt vatten som stiger till ytan, och överför därigenom värme från det varma vattnet längst ner till det kallare vattnet på toppen genom konvektion. Samtidigt kommer det kallare, tätare vattnet i toppen att sjunka till botten, där det sedan värms upp.
Ett annat bra exempel på konvektion är i atmosfären. Jordytan värms upp av solen, den varma luften stiger och sval luft rör sig in.
Konvektion som sker naturligt kallas naturlig konvektion eller fri konvektion. Om en vätska cirkuleras med hjälp av en fläkt eller en pump kallas det forcerad konvektion. Cellen som bildas av konvektionsströmmar kallas en konvektionscell eller Benardcell .
Ett annat viktigt exempel på konvektionsströmmar är skapandet av vindar över landmassor bredvid stora vattenmassor. Vatten har en större värmekapacitet än mark och håller därefter värmen bättre. Det tar därför längre tid att ändra dess temperatur, antingen uppåt eller nedåt. Under dagen kommer alltså luften ovanför vattnet att vara svalare än den över land. Detta skapar ett lågtrycksområde över marken, i förhållande till högtrycksområdet över vattnet, och därefter finner man vindar som blåser från vattnet till land. Å andra sidan kyls vattnet av under natten långsammare än landet, och luften ovanför vattnet är något varmare än över land. Detta skapar ett lågtrycksområde över vattnet i förhållande till högtrycksområdet över land, och vindar kommer att blåsa från land till vattnet.
Typer av värmekonvektion
Värmekonvektion är av tre typer - naturlig, forcerad och blandad.
- Forcerad konvektion - I ett fall kan värme transporteras passivt genom vätskerörelse, vilket skulle inträffa även utan uppvärmningsprocessen en värmeöverföringsprocess som löst kallas forcerad konvektion.
- Naturlig konvektion - I det andra fallet kan uppvärmningen i sig göra att vätskan rör sig via expansions- och flytkrafter, samtidigt som den orsakar att värme transporteras av denna rörelse - en process som löst kallas naturlig konvektion eller fri konvektion.
- Blandad (kombinerad) konvektion är en kombination av forcerad och fri konvektion som är det allmänna fallet med konvektion när ett flöde bestäms samtidigt av både ett yttre kraftsystem (dvs yttre energitillförsel till det vätskeströmlinjeformade kroppssystemet) och inre volymetrisk ( massa) krafter, nämligen genom den olikformiga densitetsfördelningen av ett flytande medium i ett gravitationsfält.
Några vardagliga exempel på naturlig konvektion
- Kokande vatten – Kokande vatten i en skål fungerar också enligt konvektionsprincipen. När vattnet börjar bli uppvärmt expanderar vattenmolekylerna och rör sig i grytan. Därmed överförs värmen till andra delar av grytan och det kalla vattnet börjar sjunka medan det varma vattnet stiger.
- Ett enkelt exempel på konvektionsströmmar är varm luft som stiger mot taket eller vinden i ett hus. Varm luft är mindre tät än kall luft, så den stiger.
- Vinden är ett exempel på en konvektionsström. Solljus eller reflekterat ljus utstrålar värme och skapar en temperaturskillnad som får luften att röra sig. Skuggiga eller fuktiga områden är svalare eller kan absorbera värme, vilket ökar effekten. Konvektionsströmmar är en del av det som driver den globala cirkulationen av jordens atmosfär.
- Ångande kopp varm dryck – Du kan ha sett ånga komma ut ur en kopp varmt te eller kaffe. På grund av vätskans värme stiger den varma luften upp. Denna varma luft är ånga.
- Issmältning – Värme flyttas till isen från luften. Detta orsakar smältning från ett fast ämne till en vätska.
- Varmluftsballong – En värmare inuti ballongen värmer luften så att luften rör sig uppåt. Detta gör att ballongen stiger eftersom den varma luften fastnar inuti. När piloten vill gå ner släpper han en del av den varma luften och kall luft tar dess plats, vilket gör att ballongen sänks.
- Upptining av fryst material – Fryst mat tinar snabbare under kallt rinnande vatten än om det läggs i vatten. Det rinnande vattnets verkan överför värme till maten snabbare.
- Åskväder – Varmt vatten från haven stiger upp i luften och förvandlas till mättade vattendroppar som bildar moln. När denna process fortsätter kolliderar de mindre molnen med varandra och större moln bildas. När man når det sista tillväxtstadiet bildas cumulonimbusmoln eller åskväder.
Konvektion i meteorologi och geologi
- Mantelkonvektion – Jordens steniga mantel rör sig långsamt på grund av konvektionsströmmarna som överför värme från jordens inre upp till ytan. Detta är anledningen till att de tektoniska plattorna rör sig gradvis runt jorden. Varmt material tillsätts vid växtkanterna på en tallrik och sedan svalnar det. Vid konsumtionskanterna blir materialet tätt genom att dra ihop sig från värmen och sjunker ner i jorden vid ett havsdike. Detta utlöser bildandet av vulkaner.
- Oceanisk cirkulation – Varmt vatten runt ekvatorn cirkulerar mot polerna och det kallare vattnet vid polerna rör sig mot ekvatorn.
- Skorstenseffekten – Detta är luftens rörelse in och ut ur byggnader, rökkanaler eller andra föremål på grund av flytkraft. I detta fall avser flytkraft de olika densiteterna i luften mellan luften inuti och luften utanför. Flytkraften ökar på grund av den större höjden på strukturen och en större skillnad mellan värmenivån för inne- och uteluften.
- Konvektion av en stjärna - En stjärna har en konvektionszon där energi förflyttas genom konvektion. Utanför kärnan finns en strålningszon där plasma rör sig. En konvektionsström bildas när plasman stiger och den kylda plasman sjunker.
- Gravitationskonvektion - Detta visar när torrt salt diffunderar nedåt i våt jord eftersom sötvatten är flytande i saltvatten.
- Konvektionsströmmar är tydliga i solen . Granulerna som ses i solens fotosfär är toppen av konvektionsceller. När det gäller solen och andra stjärnor är vätskan plasma snarare än en vätska eller gas.
Forcerad konvektion
Det är här en extern enhet som en fläkt, pump eller sugenhet används för att underlätta konvektion.
Här är några exempel på forcerad konvektion:
- Kylare - I kylaren är värmeelementet placerat i botten av maskinen. Således ersätts den varma luften från detta värmeelement med kall luft.
- Kylskåp – Frysenheten är placerad överst. Anledningen till detta är att den varma luften inuti kylen kommer att stiga upp men den kallare luften i frysen kommer att sjunka och hålla den nedre delen av kylen varm.
- Luftkonditionering – Kylaggregatet i en luftkonditionering placeras överst. Således stiger varm luft upp till kylaggregatet, den ersätts med kall luft och rummet kyls.
- Varmluftspopper – Den har en fläkt, ett värmeelement och en ventil. När poppern är påslagen blåser fläkten luft på värmeelementet via ventilen. Luften blir varm och stiger därmed. Popcornkärnor placeras precis ovanför värmeelementet. Den varma luften stiger och popcornkärnorna värms upp. Så här får vi våra läckra popcorn.
- Varmluftsugn – I en varmluftsugn används principen forcerad konvektion. Luften i utrymmet tvingas att värmas upp med hjälp av värmeelement. På grund av denna uppvärmning expanderar luftmolekylerna och rör sig. Maten inuti är tillagad på grund av denna varma luft.
- Luftkyld motor – Luftkylda motorer kyls av konvektionsströmmar i deras vattenledningar. Motorn blir varm när den går under lång tid. Värmen som avleds måste kylas för att hålla motorn igång. Motorn är täckt av en vattenmantel som är uppvärmd. På grund av denna uppvärmning strömmar varmt vatten genom rören som omger motorn. Dessa rör har fläktar på grund av vilka det varma vattnet kyls. Detta varma vatten, enligt konvektionsprincipen, sjunker ner, vilket kyler motorn.
