Truyền nhiệt đối lưu thường được gọi đơn giản là đối lưu, là sự truyền nhiệt từ nơi này sang nơi khác bằng sự chuyển động của chất lỏng. Đối lưu thường là hình thức truyền nhiệt chiếm ưu thế trong chất lỏng và chất khí.
Sự đối lưu xảy ra khi các vùng ấm hơn của chất lỏng hoặc khí tăng lên vùng lạnh hơn trong chất lỏng hoặc khí. Sau đó, chất lỏng hoặc khí mát hơn sẽ thế chỗ cho các khu vực ấm hơn đã tăng cao hơn. Điều này dẫn đến một mô hình tuần hoàn liên tục.
Đối lưu là một quá trình truyền nhiệt. Khi dòng điện được tạo ra, vật chất được di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. Vì vậy, đây cũng là một quá trình chuyển giao hàng loạt.
Đối lưu là dòng nhiệt qua một khối lượng lớn, chuyển động vĩ mô của vật chất từ vùng nóng sang vùng mát, trái ngược với sự truyền nhiệt vi mô giữa các nguyên tử có liên quan đến sự dẫn điện.
Giả sử chúng ta xem xét việc đốt nóng một vùng cục bộ của không khí. Khi không khí nóng lên, các phân tử tản ra, khiến vùng này trở nên ít đặc hơn vùng không khí xung quanh, không được làm nóng. Ít đặc hơn không khí mát hơn xung quanh, không khí nóng sau đó sẽ bốc lên do các lực nổi - chuyển động của không khí nóng vào một vùng mát hơn sau đó được cho là truyền nhiệt bằng đối lưu.
Nước sôi trong chảo là một ví dụ điển hình về sự truyền nhiệt bằng đối lưu. Khi bật bếp lần đầu, nhiệt lượng được truyền đầu tiên bằng sự dẫn truyền giữa các phần tử qua đáy nồi vào nước. Tuy nhiên, cuối cùng, nước bắt đầu sủi bọt, những bong bóng này thực chất là vùng cục bộ của nước nóng nổi lên trên bề mặt, do đó truyền nhiệt từ vùng nước nóng ở phía dưới sang vùng nước lạnh ở phía trên bằng cách đối lưu. Đồng thời, nước lạnh hơn, đặc hơn ở trên cùng sẽ chìm xuống đáy, nơi sau đó nó được làm nóng.
Một ví dụ điển hình khác về đối lưu là trong khí quyển. Bề mặt trái đất được mặt trời sưởi ấm, không khí ấm bốc lên và không khí mát di chuyển vào.
Đối lưu xảy ra tự nhiên được gọi là đối lưu tự nhiên hay đối lưu tự do. Nếu một chất lỏng được lưu thông bằng quạt hoặc máy bơm, nó được gọi là đối lưu cưỡng bức. Tế bào được hình thành bởi các dòng đối lưu được gọi là tế bào đối lưu hoặc tế bào Benard .
Một ví dụ quan trọng khác về các dòng đối lưu là việc tạo ra các làn gió trên các khối đất liền cạnh các khối nước lớn. Nước có nhiệt dung lớn hơn đất và do đó giữ nhiệt tốt hơn. Do đó, nó mất nhiều thời gian hơn để thay đổi nhiệt độ, lên hoặc xuống. Vì vậy, vào ban ngày, không khí trên mặt nước sẽ mát hơn không khí trên cạn. Điều này tạo ra một khu vực áp suất thấp trên mặt đất, so với khu vực áp suất cao trên mặt nước, và sau đó người ta tìm thấy những làn gió thổi từ nước vào đất liền. Mặt khác, vào ban đêm, nước lạnh đi chậm hơn so với mặt đất, và không khí trên mặt nước ấm hơn một chút so với trên cạn. Điều này tạo ra một vùng áp suất thấp trên mặt nước so với vùng áp suất cao trên mặt đất, và gió sẽ thổi từ mặt đất xuống mặt nước.
Các loại đối lưu nhiệt
Đối lưu nhiệt có ba loại - tự nhiên, cưỡng bức và hỗn hợp.
- Đối lưu cưỡng bức - Trong một trường hợp, nhiệt có thể được truyền thụ động bởi chuyển động của chất lỏng, điều này sẽ xảy ra ngay cả khi không có quá trình gia nhiệt, quá trình truyền nhiệt được gọi là đối lưu cưỡng bức một cách lỏng lẻo.
- Đối lưu tự nhiên - Trong trường hợp khác, bản thân sự gia nhiệt có thể làm cho chất lỏng chuyển động thông qua lực giãn nở và lực nổi, đồng thời khiến nhiệt được vận chuyển bởi chuyển động này - một quá trình lỏng lẻo được gọi là đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu tự do.
- Đối lưu hỗn hợp (kết hợp) là sự kết hợp của đối lưu cưỡng bức và đối lưu tự do, là trường hợp chung của đối lưu khi một dòng chảy được xác định đồng thời bởi cả hệ thống cưỡng bức bên ngoài (tức là, cung cấp năng lượng bên ngoài cho hệ thống cơ thể được sắp xếp hợp lý chất lỏng) và thể tích bên trong ( khối lượng) lực, viz., bởi sự phân bố mật độ không đồng đều của môi trường chất lỏng trong trường trọng lực.
Một số ví dụ hàng ngày về đối lưu tự nhiên
- Đun sôi nước - Đun sôi nước trong bát cũng hoạt động trên nguyên tắc đối lưu. Khi nước bắt đầu nóng lên, các phân tử nước nở ra và chuyển động trong chậu. Do đó, nhiệt được truyền đến các bộ phận khác của nồi và nước lạnh bắt đầu chìm trong khi nước ấm bốc lên.
- Một ví dụ đơn giản về dòng đối lưu là không khí ấm áp lên trần nhà hoặc tầng áp mái của một ngôi nhà. Không khí ấm ít đặc hơn không khí mát nên nó bốc lên.
- Gió là một ví dụ về dòng đối lưu. Ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng phản xạ tỏa nhiệt, thiết lập sự chênh lệch nhiệt độ khiến không khí chuyển động. Các khu vực râm mát hoặc ẩm ướt sẽ mát hơn hoặc có thể hấp thụ nhiệt, làm tăng thêm hiệu ứng. Các dòng đối lưu là một phần thúc đẩy sự lưu thông toàn cầu của bầu khí quyển Trái đất.
- Hấp tách đồ uống nóng - Bạn có thể đã quan sát thấy hơi nước bốc ra từ tách trà hoặc cà phê nóng. Do chất lỏng tỏa nhiệt nên hơi ấm bốc lên. Không khí ấm áp này là hơi nước.
- Sự tan chảy của nước đá - Nhiệt di chuyển đến nước đá từ không khí. Điều này gây ra sự nóng chảy từ thể rắn sang thể lỏng.
- Khinh khí cầu - Một bộ phận làm nóng bên trong quả bóng bay làm nóng không khí và do đó không khí chuyển động lên trên. Điều này làm cho khí cầu bay lên vì không khí nóng bị kẹt bên trong. Khi phi công muốn hạ độ cao, anh ta sẽ giải phóng một lượng không khí nóng và không khí mát vào vị trí của nó, làm cho khinh khí cầu hạ xuống.
- Rã đông vật liệu đông lạnh - Thực phẩm đông lạnh rã đông dưới vòi nước lạnh nhanh hơn so với khi để trong nước. Hoạt động của nước chảy sẽ truyền nhiệt vào thức ăn nhanh hơn.
- Sấm sét - Nước ấm từ đại dương bốc lên trong không khí và biến thành những giọt nước bão hòa tạo thành mây. Khi quá trình này tiếp tục, những đám mây nhỏ hơn va vào nhau và những đám mây lớn hơn được hình thành. Khi đạt đến giai đoạn sinh trưởng cuối cùng, các đám mây vũ tích hoặc giông bão được hình thành.
Đối lưu trong khí tượng và địa chất
- Đối lưu lớp phủ - Lớp phủ đá của Trái đất di chuyển chậm do các dòng đối lưu truyền nhiệt từ bên trong Trái đất lên bề mặt. Đây là lý do khiến các mảng kiến tạo di chuyển dần quanh Trái đất. Vật liệu nóng được thêm vào ở các cạnh đang phát triển của đĩa và sau đó nó nguội đi. Tại các rìa tiêu thụ, vật chất trở nên dày đặc bằng cách co lại từ nhiệt và chìm vào Trái đất tại một rãnh đại dương. Điều này kích hoạt sự hình thành của núi lửa.
- Hoàn lưu đại dương - Nước ấm xung quanh xích đạo lưu thông về các cực và nước lạnh hơn ở các cực di chuyển về phía xích đạo.
- Hiệu ứng ngăn xếp hoặc ống khói - Đây là sự chuyển động của không khí vào và ra khỏi các tòa nhà, ống khói hoặc các vật thể khác do lực nổi. Trong trường hợp này, lực nổi dùng để chỉ các mật độ khác nhau trong không khí giữa không khí bên trong và không khí bên ngoài. Lực nổi tăng lên do chiều cao của cấu trúc lớn hơn và sự chênh lệch lớn hơn giữa mức nhiệt của không khí bên trong và bên ngoài.
- Sự đối lưu của một ngôi sao - Một ngôi sao có một vùng đối lưu, nơi năng lượng được di chuyển bằng cách đối lưu. Bên ngoài lõi là vùng bức xạ nơi plasma di chuyển. Dòng đối lưu hình thành khi plasma tăng lên và plasma nguội đi xuống.
- Đối lưu hấp dẫn - Điều này cho thấy khi muối khô khuếch tán xuống đất ướt vì nước ngọt nổi trong nước mặn.
- Các dòng đối lưu hiện rõ trong mặt trời . Các hạt được nhìn thấy trong quang quyển của mặt trời là đỉnh của các tế bào đối lưu. Trong trường hợp của mặt trời và các ngôi sao khác, chất lỏng là plasma chứ không phải là chất lỏng hoặc khí.
Đối lưu cưỡng bức
Đây là nơi thiết bị bên ngoài như quạt, máy bơm hoặc thiết bị hút được sử dụng để tạo điều kiện cho sự đối lưu.
Dưới đây là một số ví dụ về đối lưu cưỡng bức:
- Bộ tản nhiệt - Trong bộ tản nhiệt, bộ phận làm nóng được đặt ở dưới cùng của máy. Do đó, không khí ấm từ bộ phận sưởi ấm này được thay thế bằng không khí lạnh.
- Tủ lạnh - Bộ phận ngăn đá được đặt ở trên cùng. Lý do đằng sau điều này là không khí ấm bên trong tủ lạnh sẽ bốc lên nhưng không khí lạnh hơn ở khu vực ngăn đá sẽ chìm xuống và giữ ấm cho phần bên dưới của tủ lạnh.
- Máy điều hòa không khí - Bộ phận làm mát trong máy điều hòa không khí được đặt ở trên cùng. Do đó, không khí ấm tăng lên đến bộ phận làm mát, nó được thay thế bằng không khí lạnh và căn phòng được làm mát.
- Máy thổi khí nóng - Nó có một quạt, một bộ phận sưởi ấm và một lỗ thông hơi. Khi bật nguồn, quạt sẽ thổi không khí vào bộ phận làm nóng thông qua lỗ thông hơi. Không khí trở nên ấm áp và do đó tăng lên. Hạt bỏng ngô được đặt ngay phía trên bộ phận làm nóng. Không khí nóng bốc lên và các hạt bỏng ngô được đốt nóng. Đây là cách chúng ta có được món bắp rang bơ ngon tuyệt.
- Lò nướng đối lưu - Trong lò nướng đối lưu, nguyên tắc đối lưu cưỡng bức được sử dụng. Không khí trong ngăn được làm nóng cưỡng bức bằng cách sử dụng các bộ phận làm nóng. Do sự đốt nóng này, các phân tử không khí nở ra và chuyển động. Thực phẩm bên trong được nấu chín do không khí ấm này.
- Động cơ làm mát bằng không khí - Động cơ làm mát bằng không khí được làm mát bằng dòng đối lưu trong ống nước của chúng. Động cơ hoạt động trong một thời gian dài sẽ bị nóng lên. Nhiệt tản ra cần được làm mát để động cơ hoạt động. Động cơ được bao phủ bởi một áo nước được làm nóng. Do sự gia nhiệt này, nước ấm chảy qua các đường ống bao quanh động cơ. Các đường ống này có quạt để làm mát nước ấm. Nước ấm này theo nguyên lý đối lưu chìm xuống dưới, do đó làm mát động cơ.
