Конвективний теплообмін, який часто називають просто конвекцією, — це перенесення тепла з одного місця в інше шляхом руху рідин. Конвекція зазвичай є домінуючою формою теплопередачі в рідинах і газах.
Конвекція виникає, коли більш теплі ділянки рідини або газу піднімаються до більш холодних областей рідини або газу. Тоді більш прохолодна рідина або газ займає місце тепліших областей, які піднялися вище. Це призводить до безперервної циркуляції.
Конвекція - це процес теплопередачі. Коли виникають струми, речовина переміщується з одного місця в інше. Отже, це також процес масового перенесення.
Конвекція — це потік тепла через об’ємний макроскопічний рух речовини з гарячої області в холодну, на відміну від мікроскопічної передачі тепла між атомами, пов’язаними з провідністю.
Припустимо, ми розглядаємо нагрівання локальної області повітря. Коли це повітря нагрівається, молекули поширюються, внаслідок чого ця область стає менш щільною, ніж навколишнє ненагріте повітря. Будучи меншою щільністю, ніж навколишнє більш прохолодне повітря, гаряче повітря згодом підніматиметься вгору завдяки виштовхуючим силам – цей рух гарячого повітря в більш прохолодну область, як кажуть, передає тепло шляхом конвекції.
Вода, яка кипить у каструлі, є хорошим прикладом передачі тепла шляхом конвекції. Коли плита вперше вмикається, тепло спочатку передається через провідність між елементами через дно каструлі до води. Однак, зрештою, вода починає вирувати, ці бульбашки насправді є локальними областями гарячої води, що піднімається на поверхню, таким чином передаючи тепло від гарячої води внизу до холоднішої води у верхній частині шляхом конвекції. У той же час більш прохолодна, більш щільна вода вгорі буде опускатися на дно, де згодом нагрівається.
Ще один хороший приклад конвекції в атмосфері. Земна поверхня нагрівається сонцем, тепле повітря піднімається вгору, а прохолодне входить.
Конвекція, яка виникає природним шляхом, називається природною або вільною конвекцією. Якщо рідина циркулює за допомогою вентилятора або насоса, це називається примусовою конвекцією. Комірка, утворена конвекційними потоками, називається конвекційною коміркою або коміркою Бенара .
Іншим важливим прикладом конвекційних течій є створення бризів над масивами суші поруч із великими водоймами. Вода має більшу теплоємність, ніж земля, і тому краще утримує тепло. Тому зміна температури вгору або вниз займає більше часу. Таким чином, вдень повітря над водою буде прохолодніше, ніж над сушею. Це створює область низького тиску над сушею порівняно з областю високого тиску над водою, і згодом можна побачити бризи, що дмуть з води на сушу. З іншого боку, вночі вода охолоджується повільніше, ніж суша, і повітря над водою трохи тепліше, ніж над сушею. Це створює область низького тиску над водою відносно області високого тиску над сушею, і бризи будуть дути з суші на воду.
Види конвекції тепла
Конвекція тепла буває трьох видів – природна, вимушена і змішана.
- Примусова конвекція . В одному випадку тепло може пасивно переноситися рухом рідини, що відбуватиметься навіть без процесу нагрівання, процес теплопередачі, який у загальних рисах називають примусовою конвекцією.
- Природна конвекція . В іншому випадку саме нагрівання може спричинити рух рідини за допомогою сил розширення та плавучості, водночас спричиняючи перенесення тепла внаслідок цього руху — процес, широко відомий як природна конвекція або вільна конвекція.
- Змішана (комбінована) конвекція - це комбінація вимушеної та вільної конвекції, яка є загальним випадком конвекції, коли потік визначається одночасно як зовнішньою системою примусу (тобто зовнішнім джерелом енергії для потокової рідинної системи тіла), так і внутрішнім об’ємним ( маса) сил, тобто нерівномірним розподілом щільності рідкого середовища в полі сили тяжіння.
Деякі повсякденні приклади природної конвекції
- Кип’ятіння води – кип’ятіння води в мисці також працює за принципом конвекції. Коли вода починає нагріватися, молекули води розширюються і рухаються в каструлі. Таким чином, тепло передається іншим частинам горщика, і холодна вода починає опускатися, а тепла піднімається.
- Простим прикладом конвекційних потоків є тепле повітря, що піднімається до стелі чи горища будинку. Тепле повітря менш щільне, ніж холодне, тому воно піднімається.
- Вітер є прикладом конвекційної течії. Сонячне або відбите світло випромінює тепло, створюючи різницю температур, яка змушує повітря рухатися. Тінисті або вологі місця є прохолоднішими або можуть поглинати тепло, додаючи ефекту. Конвекційні течії є частиною глобальної циркуляції атмосфери Землі.
- Чашка гарячого напою, що димить – можливо, ви спостерігали, як з чашки гарячого чаю чи кави виходить пара. Завдяки теплу рідини тепле повітря піднімається вгору. Це тепле повітря є пара.
- Танення льоду – тепло переходить до льоду з повітря. Це викликає плавлення з твердого стану в рідкий.
- Повітряна куля – нагрівач всередині повітряної кулі нагріває повітря, завдяки чому повітря рухається вгору. Це змушує повітряну кулю підніматися, оскільки гаряче повітря потрапляє всередину. Коли пілот хоче знизитися, він випускає частину гарячого повітря, а холодне повітря займає його місце, змушуючи повітряну кулю опускатися.
- Розморожування заморожених матеріалів – заморожені продукти розморожуються швидше під холодною проточною водою, ніж якщо їх помістити у воду. Дія проточної води швидше передає тепло їжі.
- Гроза - тепла вода з океанів піднімається в повітря і перетворюється на насичені краплі води, які утворюють хмари. Коли цей процес триває, менші хмари стикаються одна з одною і утворюються більші хмари. При досягненні кінцевої стадії росту утворюються купчасто-дощові хмари або грози.
Конвекція в метеорології та геології
- Мантійна конвекція – скеляста мантія Землі рухається повільно через конвекційні потоки, які переносять тепло з надр Землі на поверхню. Ось чому тектонічні плити поступово рухаються навколо Землі. Гарячий матеріал додається до зростаючих країв пластини, а потім охолоджується. На краях споживання матеріал стає щільним, стискаючись від тепла, і занурюється в Землю в океанській западині. Це провокує утворення вулканів.
- Океанська циркуляція – тепла вода навколо екватора циркулює до полюсів, а холодніша вода на полюсах рухається до екватора.
- Ефект труби або димоходу – це рух повітря всередині та з будівель, димоходів або інших об’єктів через силу плавучості. У цьому випадку плавучість відноситься до різної щільності в повітрі між внутрішнім і зовнішнім повітрям. Виштовхувальна сила збільшується завдяки більшій висоті конструкції та більшій різниці між рівнем тепла внутрішнього та зовнішнього повітря.
- Конвекція зірки . Зірка має зону конвекції, де енергія переміщується конвекцією. Поза ядром знаходиться зона випромінювання, де рухається плазма. Конвекційний струм утворюється, коли плазма піднімається, а охолоджена плазма опускається.
- Гравітаційна конвекція – це показує, коли суха сіль дифундує вниз у вологий ґрунт, оскільки прісна вода плавуча в солоній воді.
- Конвекційні потоки помітні на сонці . Гранули, які видно у фотосфері Сонця, є вершинами конвекційних комірок. У випадку Сонця та інших зірок рідина є плазмою, а не рідиною чи газом.
Примусова конвекція
Тут використовується зовнішній пристрій, такий як вентилятор, насос або всмоктуючий пристрій, щоб полегшити конвекцію.
Ось кілька прикладів примусової конвекції:
- Радіатор . У радіаторі нагрівальний елемент розташований у нижній частині машини. Таким чином, тепле повітря від цього нагрівального елементу замінюється холодним.
- Холодильник – морозильна камера розташована вгорі. Причина цього полягає в тому, що тепле повітря всередині холодильника піднімається вгору, а більш холодне повітря в морозильній камері опускається, зберігаючи тепло нижньої частини холодильника.
- Кондиціонер – блок охолодження в кондиціонері розташований у верхній частині. Таким чином, тепле повітря піднімається до холодильної установки, на зміну йому приходить холодне повітря, і приміщення охолоджується.
- Поппер гарячого повітря – має вентилятор, нагрівальний елемент і вентиляційний отвір. Коли поппер увімкнено, вентилятор видуває повітря на нагрівальний елемент через вентиляційний отвір. Повітря стає теплим і таким чином піднімається вгору. Зерна попкорну кладуть прямо над нагрівальним елементом. Гаряче повітря піднімається вгору, і зерна попкорну нагріваються. Ось так ми отримуємо смачний попкорн.
- Конвекційна піч – У конвекційній печі використовується принцип примусової конвекції. Повітря в камері примусово нагрівається за допомогою нагрівальних елементів. Завдяки цьому нагріванню молекули повітря розширюються і рухаються. Їжа всередині готується завдяки цьому теплому повітрю.
- Двигун з повітряним охолодженням . Двигуни з повітряним охолодженням охолоджуються конвекційними потоками у водопровідних трубах. Двигун при тривалій роботі нагрівається. Тепло, яке розсіюється, необхідно охолоджувати, щоб двигун працював. Двигун закритий водяною сорочкою, яка нагрівається. Завдяки такому нагріванню тепла вода тече по трубах, що оточують двигун. Ці труби мають вентилятори, за допомогою яких відбувається охолодження теплої води. Ця тепла вода за принципом конвекції опускається вниз, охолоджуючи двигун.
