การพาความร้อนแบบพาความร้อนมักเรียกง่ายๆ ว่าการพาความร้อนคือการถ่ายเทความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยการเคลื่อนที่ของของเหลว การพาความร้อนมักเป็นรูปแบบการถ่ายเทความร้อนที่โดดเด่นในของเหลวและก๊าซ
การพาความร้อนเกิดขึ้นเมื่อบริเวณที่อุ่นกว่าของของเหลวหรือก๊าซเพิ่มขึ้นไปยังบริเวณที่เย็นกว่าในของเหลวหรือก๊าซ ของเหลวหรือก๊าซที่เย็นกว่าจะเข้ามาแทนที่บริเวณที่อุ่นกว่าซึ่งสูงขึ้น ส่งผลให้มีรูปแบบการหมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง
การพาความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อน เมื่อมีกระแสน้ำเกิดขึ้น สสารจะถูกย้ายจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ดังนั้น นี่เป็นกระบวนการถ่ายโอนจำนวนมากเช่นกัน
การพาความร้อนคือการไหลของความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของสสารจำนวนมากและมีขนาดมหึมาจากบริเวณที่ร้อนไปยังบริเวณที่เย็น เมื่อเทียบกับการถ่ายเทความร้อนด้วยกล้องจุลทรรศน์ระหว่างอะตอมที่เกี่ยวข้องกับการนำ
สมมติว่าเราพิจารณาให้ความร้อนแก่พื้นที่ในอากาศ เมื่ออากาศนี้ร้อนขึ้น โมเลกุลจะกระจายออกไป ทำให้บริเวณนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศโดยรอบที่ไม่ร้อน ด้วยความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็นโดยรอบ อากาศร้อนจะเพิ่มขึ้นในภายหลังเนื่องจากแรงลอยตัว - การเคลื่อนที่ของอากาศร้อนไปยังบริเวณที่เย็นกว่านั้นกล่าวกันว่าถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน
การต้มน้ำในกระทะเป็นตัวอย่างที่ดีของการถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน เมื่อเปิดเตาครั้งแรก ความร้อนจะถูกถ่ายเทโดยการนำความร้อนระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ผ่านก้นหม้อไปยังน้ำ อย่างไรก็ตาม ในที่สุด น้ำก็เริ่มเดือด ฟองเหล่านี้เป็นบริเวณที่มีน้ำร้อนขึ้นสู่ผิวน้ำ ดังนั้นจึงถ่ายเทความร้อนจากน้ำร้อนที่ด้านล่างไปยังน้ำเย็นที่ด้านบนโดยการพาความร้อน ในเวลาเดียวกันน้ำที่เย็นกว่าและหนาแน่นกว่าที่ด้านบนจะจมลงสู่ด้านล่างซึ่งจะถูกทำให้ร้อนในภายหลัง
อีกตัวอย่างที่ดีของการพาความร้อนอยู่ในบรรยากาศ พื้นผิวโลกได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์ อากาศอุ่นขึ้นและอากาศเย็นเคลื่อนเข้ามา
การพาความร้อนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเรียกว่าการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือการพาความร้อนแบบอิสระ หากของเหลวไหลเวียนโดยใช้พัดลมหรือปั๊ม เรียกว่าการพาความร้อนแบบบังคับ เซลล์ที่เกิดจากกระแสพาเรียกว่า เซลล์พา หรือ เซลล์เบนาร์ ด
ตัวอย่างที่สำคัญอีกประการของกระแสการพาความร้อนคือการสร้างลมเหนือมวลดินที่อยู่ถัดจากแหล่งน้ำขนาดใหญ่ น้ำมีความจุความร้อนมากกว่าพื้นดินและเก็บความร้อนได้ดีกว่าในภายหลัง ดังนั้นจึงต้องใช้เวลานานกว่าในการเปลี่ยนอุณหภูมิ ไม่ว่าจะขึ้นหรือลง ดังนั้นในตอนกลางวันอากาศเหนือน้ำจะเย็นกว่าอากาศบนบก สิ่งนี้สร้างพื้นที่ความกดอากาศต่ำเหนือพื้นดิน สัมพันธ์กับพื้นที่ความกดอากาศสูงเหนือน้ำ และต่อมาพบลมพัดจากน้ำสู่พื้นดิน ในทางกลับกัน ในช่วงกลางคืน น้ำจะเย็นลงช้ากว่าพื้นดิน และอากาศเหนือน้ำจะอุ่นกว่าบนบกเล็กน้อย ทำให้เกิดบริเวณความกดอากาศต่ำเหนือน้ำเมื่อเทียบกับบริเวณความกดอากาศสูงเหนือพื้นดิน และลมจะพัดจากพื้นดินลงสู่น้ำ
ประเภทของการพาความร้อน
การพาความร้อนมีสามประเภท - แบบ ธรรมชาติ แบบบังคับ และ แบบผสม
- การพาความร้อนแบบบังคับ - ในกรณีหนึ่ง ความร้อนอาจถูกถ่ายเทโดยการเคลื่อนที่ของของไหล ซึ่งอาจเกิดขึ้นแม้ไม่มีกระบวนการให้ความร้อน กระบวนการถ่ายเทความร้อนจะเรียกอย่างหลวมๆ ว่าการพาความร้อนแบบบังคับ
- การพาความร้อนตามธรรมชาติ - ในอีกกรณีหนึ่ง การให้ความร้อนเองอาจทำให้ของไหลเคลื่อนที่ผ่านแรงขยายตัวและแรงลอยตัว ในขณะเดียวกันก็ทำให้เกิดการเคลื่อนย้ายความร้อนไปพร้อมกันโดยการเคลื่อนที่นี้ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกง่ายๆ ว่าการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือการพาความร้อนแบบอิสระ
- การพาความร้อนแบบผสม (รวมกัน) คือการรวมกันของการพาความร้อนแบบบังคับและการพาความร้อนแบบอิสระ ซึ่งเป็นกรณีทั่วไปของการพาความร้อนเมื่อกำหนดการไหลพร้อมกันโดยทั้งระบบบังคับภายนอก (เช่น การจ่ายพลังงานภายนอกไปยังระบบร่างกายที่เพรียวลม) และปริมาตรภายใน ( มวล) แรง กล่าวคือ โดยการกระจายความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอของตัวกลางของไหลในสนามแรงโน้มถ่วง
ตัวอย่างประจำวันของการพาความร้อนตามธรรมชาติ
- น้ำเดือด – น้ำเดือดในชามยังทำงานบนหลักการพาความร้อนด้วย เมื่อน้ำเริ่มร้อนขึ้น โมเลกุลของน้ำจะขยายตัวและเคลื่อนที่ในหม้อ ดังนั้นความร้อนจะถูกถ่ายเทไปยังส่วนอื่นๆ ของหม้อ และน้ำเย็นจะเริ่มจมในขณะที่น้ำอุ่นขึ้น
- ตัวอย่างง่ายๆ ของกระแสพาความร้อนคือ อากาศอุ่นที่ลอยขึ้น ไปบนเพดานหรือห้องใต้หลังคาของบ้าน อากาศอุ่นมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็นจึงลอยขึ้น
- ลม เป็นตัวอย่างของกระแสพา แสงแดดหรือแสงสะท้อนแผ่ความร้อน ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิที่ทำให้อากาศเคลื่อนที่ บริเวณที่ร่มรื่นหรือชื้นจะเย็นกว่าหรือสามารถดูดซับความร้อนได้ กระแสพาเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่ขับเคลื่อนการหมุนเวียนของชั้นบรรยากาศของโลก
- นึ่งถ้วยเครื่องดื่มร้อน – คุณอาจสังเกตเห็นไอน้ำที่ออกมาจากถ้วยชาหรือกาแฟร้อน เนื่องจากความร้อนของของเหลว อากาศอุ่นจึงลอยขึ้น อากาศอุ่นนี้เป็นไอน้ำ
- น้ำแข็งละลาย – ความร้อนเคลื่อนตัวไปยังน้ำแข็งจากอากาศ ทำให้เกิดการหลอมเหลวจากของแข็งเป็นของเหลว
- บอลลูนอากาศร้อน – เครื่องทำความร้อนภายในบอลลูนทำให้อากาศร้อนและอากาศจะเคลื่อนขึ้นด้านบน ทำให้บอลลูนลอยขึ้นเพราะอากาศร้อนเข้าไปติดอยู่ภายใน เมื่อนักบินต้องการลงมา เขาจะปล่อยลมร้อนบางส่วนและลมเย็นเข้ามาแทนที่ ทำให้บอลลูนลดต่ำลง
- การละลายวัสดุแช่แข็ง – อาหารแช่แข็งละลายได้เร็วกว่าภายใต้น้ำไหลเย็นกว่าถ้าใส่ในน้ำ การกระทำของน้ำไหลจะถ่ายเทความร้อนเข้าสู่อาหารเร็วขึ้น
- พายุฝนฟ้าคะนอง - น้ำอุ่นจากมหาสมุทรลอยขึ้นไปในอากาศและกลายเป็นหยดน้ำอิ่มตัวที่ก่อตัวเป็นเมฆ เมื่อกระบวนการนี้ดำเนินต่อไป เมฆขนาดเล็กจะชนกันและเกิดเมฆที่ใหญ่ขึ้น เมื่อถึงระยะการเจริญเติบโตขั้นสุดท้าย เมฆคิวมูโลนิมบัสหรือพายุฝนฟ้าคะนองจะเกิดขึ้น
การพาความร้อนในอุตุนิยมวิทยาและธรณีวิทยา
- การพาความร้อน - เสื้อคลุมหินของโลกเคลื่อนที่ช้าเนื่องจากกระแสการพาความร้อนที่ถ่ายเทความร้อนจากภายในของโลกขึ้นสู่พื้นผิว นี่คือเหตุผลที่แผ่นเปลือกโลกค่อยๆ เคลื่อนตัวรอบโลก วัสดุร้อนจะถูกเติมที่ขอบจานที่กำลังเติบโตแล้วจึงเย็นลง ที่ขอบการบริโภค วัสดุจะหนาแน่นโดยการหดตัวจากความร้อนและจมลงสู่พื้นโลกที่ร่องลึกในมหาสมุทร สิ่งนี้ทำให้เกิดการก่อตัวของภูเขาไฟ
- การไหลเวียนของมหาสมุทร – น้ำอุ่นรอบเส้นศูนย์สูตรจะหมุนเวียนไปทางเสาและน้ำเย็นที่ขั้วจะเคลื่อนไปทางเส้นศูนย์สูตร
- ผลกระทบของปล่องไฟหรือปล่องไฟ – นี่คือการเคลื่อนที่ของอากาศเข้าและออกจากอาคาร ปล่องไฟ หรือวัตถุอื่นๆ เนื่องจากการลอยตัว ในกรณีนี้ การลอยตัวหมายถึงความหนาแน่นต่างกันในอากาศระหว่างอากาศภายในและอากาศภายนอก แรงลอยตัวเพิ่มขึ้นเนื่องจากความสูงของโครงสร้างที่มากขึ้นและความแตกต่างระหว่างระดับความร้อนของอากาศภายในและภายนอกมากขึ้น
- การพาดาว - ดาวฤกษ์มีเขตการพาความร้อนที่พลังงานเคลื่อนที่โดยการพาความร้อน นอกแกนกลางเป็นเขตการแผ่รังสีที่พลาสมาเคลื่อนที่ กระแสพาเกิดขึ้นเมื่อพลาสมาเพิ่มขึ้นและพลาสมาเย็นลง
- การพาความโน้มถ่วง - สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าเมื่อเกลือแห้งแพร่กระจายลงไปในดินเปียกเนื่องจากน้ำจืดลอยอยู่ในน้ำเค็ม
- กระแสการพาความร้อนจะเห็นได้ชัดใน ดวงอาทิตย์ แกรนูลที่เห็นในโฟโตสเฟียร์ของดวงอาทิตย์คือยอดของเซลล์พาความร้อน ในกรณีของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ ของเหลวนั้นเป็นพลาสมามากกว่าของเหลวหรือก๊าซ
บังคับพา
นี่คือตำแหน่งที่ใช้อุปกรณ์ภายนอก เช่น พัดลม ปั๊ม หรืออุปกรณ์ดูดเพื่ออำนวยความสะดวกในการพาความร้อน
ต่อไปนี้คือตัวอย่างบางส่วนของการพาความร้อนแบบบังคับ:
- หม้อน้ำ - ในหม้อน้ำ องค์ประกอบความร้อนจะอยู่ที่ด้านล่างของเครื่อง ดังนั้นอากาศอุ่นจากองค์ประกอบความร้อนนี้จึงถูกแทนที่ด้วยอากาศเย็น
- ตู้เย็น – วางตู้แช่แข็งไว้ที่ด้านบน เหตุผลเบื้องหลังคืออากาศอุ่นภายในตู้เย็นจะเพิ่มขึ้น แต่อากาศที่เย็นกว่าในบริเวณช่องแช่แข็งจะจมลงและทำให้ส่วนล่างของตู้เย็นอุ่น
- เครื่องปรับอากาศ – วางหน่วยทำความเย็นในเครื่องปรับอากาศไว้ที่ด้านบน ดังนั้นลมอุ่นจะลอยขึ้นสู่หน่วยทำความเย็น อากาศเย็นจึงเข้ามาแทนที่ และห้องจะเย็นลง
- เครื่องทำลมร้อน – มีพัดลม ตัวทำความร้อน และช่องระบายอากาศ เมื่อเปิดเครื่องป๊อปเปอร์ พัดลมจะเป่าลมบนตัวทำความร้อนผ่านช่องระบายอากาศ อากาศอุ่นขึ้นและสูงขึ้น เมล็ดข้าวโพดคั่ววางอยู่เหนือองค์ประกอบความร้อน อากาศร้อนขึ้นและเมล็ดข้าวโพดคั่วได้รับความร้อน นี่คือวิธีที่เราได้รับข้าวโพดคั่วแสนอร่อยของเรา
- เตาอบพาความร้อน – ในเตาอบพาความร้อน จะใช้หลักการพาความร้อนแบบบังคับ อากาศในห้องถูกบังคับให้ร้อนโดยใช้องค์ประกอบความร้อน เนื่องจากความร้อนนี้ โมเลกุลของอากาศจึงขยายตัวและเคลื่อนที่ อาหารที่ข้างในปรุงด้วยอากาศอันอบอุ่นนี้
- เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วย อากาศ – เครื่องยนต์ระบายความร้อนด้วยอากาศถูกระบายความร้อนด้วยกระแสหมุนเวียนในท่อน้ำ เครื่องยนต์ทำงานเป็นเวลานานจะร้อนขึ้น ความร้อนที่กระจายไปจะต้องเย็นลงเพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานต่อไป เครื่องยนต์ถูกปกคลุมด้วยแจ็คเก็ตน้ำที่อุ่น เนื่องจากความร้อนนี้ น้ำอุ่นจึงไหลผ่านท่อที่ล้อมรอบเครื่องยนต์ ท่อเหล่านี้มีพัดลมเนื่องจากน้ำอุ่นจะระบายความร้อน น้ำอุ่นตามหลักการพาความร้อนนี้จะจมลง ทำให้เครื่องยนต์เย็นลง
