Genellikle konveksiyon olarak adlandırılan konvektif ısı transferi, sıvıların hareketiyle ısının bir yerden başka bir yere transferidir. Konveksiyon genellikle sıvılarda ve gazlarda ısı transferinin baskın şeklidir.
Konveksiyon, bir sıvı veya gazın daha sıcak bölgeleri sıvı veya gazın daha soğuk bölgelerine yükseldiğinde meydana gelir. Daha sonra daha yüksek olan daha sıcak alanların yerini daha soğuk sıvı veya gaz alır. Bu, sürekli bir sirkülasyon modeli ile sonuçlanır.
Konveksiyon bir ısı transfer işlemidir. Akımlar üretildiğinde, madde bir yerden başka bir yere taşınır. Yani bu aynı zamanda bir toplu transfer işlemidir.
Konveksiyon, iletimle ilgili atomlar arasındaki mikroskobik ısı transferinin aksine, maddenin sıcak bir bölgeden soğuk bir bölgeye toplu, makroskobik hareketi yoluyla ısı akışıdır.
Havanın yerel bir bölgesini ısıtmayı düşündüğümüzü varsayalım. Bu hava ısındıkça, moleküller dağılır ve bu bölgenin çevredeki ısıtılmamış havadan daha az yoğun olmasına neden olur. Çevreleyen daha soğuk havadan daha az yoğun olan sıcak hava, kaldırma kuvvetleri nedeniyle daha sonra yükselecektir - daha sonra sıcak havanın daha soğuk bir bölgeye bu hareketinin ısıyı konveksiyon yoluyla aktardığı söylenir.
Bir tavada kaynayan su, konveksiyon yoluyla ısı transferine iyi bir örnektir. Soba ilk açıldığında, ısı ilk önce elementler arasında iletim yoluyla tencerenin dibinden suya aktarılır. Bununla birlikte, sonunda su köpürmeye başlar, bu kabarcıklar aslında yüzeye yükselen sıcak suyun yerel bölgeleridir, böylece ısıyı alt kısımdaki sıcak sudan üst kısımdaki soğuk suya konveksiyon yoluyla aktarır. Aynı zamanda, üst kısımdaki daha soğuk, daha yoğun su, daha sonra ısıtıldığı yere batacaktır.
Bir başka iyi konveksiyon örneği atmosferdedir. Dünyanın yüzeyi güneş tarafından ısıtılır, sıcak hava yükselir ve soğuk hava içeri girer.
Doğal olarak meydana gelen konveksiyona, doğal konveksiyon veya serbest konveksiyon denir. Bir sıvı, bir fan veya pompa kullanılarak sirküle edilirse, buna zorlanmış konveksiyon denir. Konveksiyon akımlarının oluşturduğu hücreye konveksiyon hücresi veya Benard hücresi denir.
Konveksiyon akımlarının bir diğer önemli örneği, büyük su kütlelerinin yanındaki kara kütleleri üzerinde esintilerin oluşmasıdır. Su, karadan daha büyük bir ısı kapasitesine sahiptir ve dolayısıyla ısıyı daha iyi tutar. Bu nedenle, sıcaklığını yukarı veya aşağı yönde değiştirmek daha uzun sürer. Böylece gün boyunca suyun üzerindeki hava karadakinden daha soğuk olacaktır. Bu, su üzerindeki yüksek basınç alanına göre kara üzerinde bir alçak basınç alanı oluşturur ve ardından sudan karaya esen meltemler görülür. Öte yandan, gece boyunca su karaya göre daha yavaş soğur ve suyun üzerindeki hava karaya göre biraz daha sıcaktır. Bu, kara üzerindeki yüksek basınç alanına göre su üzerinde bir alçak basınç alanı oluşturur ve karadan suya doğru esintiler esecektir.
Isı taşınımı türleri
Isı taşınımı üç tiptir - doğal, zorlanmış ve karışık.
- Zorlanmış konveksiyon - Bir durumda, ısı, gevşek bir şekilde zorunlu konveksiyon olarak adlandırılan bir ısı transfer süreci olan ısıtma işlemi olmadan bile meydana gelebilecek sıvı hareketi ile pasif olarak taşınabilir.
- Doğal konveksiyon - Diğer durumda, ısıtmanın kendisi, sıvının genleşme ve kaldırma kuvvetleri yoluyla hareket etmesine neden olurken aynı zamanda ısının bu hareketle taşınmasına neden olabilir - bu, gevşek bir şekilde doğal konveksiyon veya serbest konveksiyon olarak bilinen bir işlemdir.
- Karışık (kombine) konveksiyon , bir akışın hem bir dış zorlama sistemi (yani, sıvıyla yönlendirilen gövde sistemine dış enerji beslemesi) hem de iç hacimsel ( kütle) kuvvetleri, yani, bir yerçekimi alanındaki bir akışkan ortamın üniform olmayan yoğunluk dağılımı ile.
Bazı günlük doğal konveksiyon örnekleri
- Kaynar su – Bir kasede kaynayan su da konveksiyon prensibine göre çalışır. Su ısınmaya başladığında, su molekülleri genişler ve tencerede hareket eder. Böylece ısı tencerenin diğer kısımlarına aktarılır ve sıcak su yükselirken soğuk su alçalmaya başlar.
- Konveksiyon akımlarının basit bir örneği, bir evin tavanına veya çatı katına doğru yükselen sıcak havadır . Sıcak hava, soğuk havadan daha az yoğun olduğu için yükselir.
- Rüzgar , konveksiyon akımına bir örnektir. Güneş ışığı veya yansıyan ışık ısı yayar ve havanın hareket etmesine neden olan bir sıcaklık farkı oluşturur. Gölgeli veya nemli alanlar daha soğuktur veya ısıyı emerek etkiyi arttırır. Konveksiyon akımları, Dünya atmosferinin küresel dolaşımını yönlendiren şeyin bir parçasıdır.
- Bir fincan sıcak içeceğin buharı çıkıyor – Bir fincan sıcak çay veya kahveden buhar çıktığını gözlemlemiş olabilirsiniz. Sıvının ısısı nedeniyle, sıcak hava yükselir. Bu sıcak hava buhardır.
- Buzun erimesi – Isı havadan buza doğru hareket eder. Bu, katıdan sıvıya erimeye neden olur.
- Sıcak hava balonu - Balonun içindeki bir ısıtıcı havayı ısıtır ve böylece hava yukarı doğru hareket eder. Bu, balonun yükselmesine neden olur çünkü sıcak hava içeride sıkışır. Pilot alçalmak istediğinde sıcak havanın bir kısmını serbest bırakır ve yerini soğuk hava alarak balonun alçalmasına neden olur.
- Dondurulmuş malzemenin çözülmesi – Dondurulmuş gıda, akan soğuk su altında, suya konulduğu duruma göre daha hızlı çözülür. Akan suyun hareketi, ısıyı yiyeceğe daha hızlı aktarır.
- Fırtına - Okyanuslardan gelen ılık su havada yükselir ve bulutları oluşturan doymuş su damlalarına dönüşür. Bu süreç devam ettiğinde daha küçük bulutlar birbiriyle çarpışır ve daha büyük bulutlar oluşur. Nihai büyüme aşamasına ulaşıldığında, kümülonimbus bulutları veya gök gürültülü fırtınalar oluşur.
Meteoroloji ve jeolojide konveksiyon
- Manto Konveksiyonu - Dünyanın kayalık mantosu, ısıyı Dünya'nın içinden yüzeye aktaran konveksiyon akımları nedeniyle yavaş hareket eder. Tektonik plakaların Dünya etrafında kademeli olarak hareket etmesinin nedeni budur. Bir plakanın büyüyen kenarlarına sıcak malzeme eklenir ve daha sonra soğutulur. Tüketim kenarlarında, malzeme ısıdan büzülerek yoğunlaşır ve bir okyanus çukurunda Dünya'ya batar. Bu da volkanların oluşumunu tetikliyor.
- Okyanus sirkülasyonu - Ekvatorun etrafındaki sıcak su kutuplara doğru dolaşır ve kutuplardaki daha soğuk su ekvatora doğru hareket eder.
- Yığın veya baca etkisi - Bu, kaldırma kuvveti nedeniyle havanın binalara, bacalara veya diğer nesnelere girip çıkmasıdır. Bu durumda kaldırma kuvveti, içerideki hava ile dışarıdaki hava arasındaki havadaki farklı yoğunlukları ifade eder. Kaldırma kuvveti, yapının yüksekliğinin artması ve iç ve dış havanın ısı seviyesi arasındaki farkın artması nedeniyle artar.
- Bir yıldızın konveksiyonu - Bir yıldızın, enerjinin konveksiyonla taşındığı bir konveksiyon bölgesi vardır. Çekirdeğin dışında, plazmanın hareket ettiği bir radyasyon bölgesi var. Plazma yükseldiğinde ve soğutulmuş plazma alçaldığında bir konveksiyon akımı oluşur.
- Yerçekimi konveksiyonu - Bu, tatlı su tuzlu suda yüzer olduğundan, kuru tuzun ıslak toprağa doğru yayıldığını gösterir.
- Konveksiyon akımları güneşte belirgindir. Güneşin fotosferinde görülen granüller, konveksiyon hücrelerinin tepeleridir. Güneş ve diğer yıldızlar söz konusu olduğunda, sıvı bir sıvı veya gazdan çok plazmadır.
Zorlanmış konveksiyon
Bu, konveksiyonu kolaylaştırmak için fan, pompa veya emme cihazı gibi harici bir cihazın kullanıldığı yerdir.
Zorlanmış konveksiyona bazı örnekler:
- Radyatör - Radyatörde, ısıtma elemanı makinenin altına yerleştirilmiştir. Böylece, bu ısıtma elemanından gelen sıcak hava, soğuk hava ile değiştirilir.
- Buzdolabı – Dondurucu ünitesi en üste yerleştirilmiştir. Bunun nedeni, buzdolabının içindeki sıcak havanın yükselmesi, ancak dondurucu bölgedeki daha soğuk havanın alçalması ve buzdolabının alt kısmını sıcak tutmasıdır.
- Klima – Bir klimadaki soğutma ünitesi en üste yerleştirilmiştir. Böylece sıcak hava soğutma ünitesine kadar yükselir, yerini soğuk hava alır ve oda soğutulur.
- Sıcak hava üfleyici – Fanı, ısıtma elemanı ve havalandırması vardır. Popper açıldığında, fan, havalandırma yoluyla ısıtma elemanına hava üfler. Hava ısınır ve böylece yükselir. Patlamış mısır taneleri, ısıtma elemanının hemen üzerine yerleştirilir. Sıcak hava yükselir ve patlamış mısır taneleri ısıtılır. Lezzetli patlamış mısırımızı bu şekilde elde etmiş oluyoruz.
- Konveksiyonlu fırın - Konveksiyonlu bir fırında, zorunlu konveksiyon prensibi kullanılır. Bölme içindeki hava, ısıtma elemanları kullanılarak ısıtılmaya zorlanır. Bu ısınma nedeniyle hava molekülleri genişler ve hareket eder. İçerideki yiyecekler bu sıcak hava sayesinde pişer.
- Hava soğutmalı motor – Hava soğutmalı motorlar, su borularındaki konveksiyon akımlarıyla soğutulur. Uzun süre çalışan motor ısınır. Dağıtılan ısının motorun çalışmaya devam etmesi için soğutulması gerekir. Motor, ısıtılmış bir su ceketi ile kaplıdır. Bu ısınma nedeniyle, motoru çevreleyen borulardan ılık su akar. Bu borular, ılık suyun soğutulması nedeniyle fanlara sahiptir. Bu sıcak su, konveksiyon prensibi ile alçalır ve böylece motoru soğutur.
