Fenomen konvekcije i primjeri konvekcije

Ako svoju ruku približite uključenoj žarulji ili stavite ruku na vruću ploču, možete osjetiti kretanje toplih protoka zraka. Isti učinak može se promatrati uz zamah listova papira smještenog na otvorenom plamenu. Oba učinka objašnjavaju se konvekcijom.

Što je to?

U središtu fenomena konvekcije nalazi se širenje hladnije tvari kada dođe u kontakt s vrućim masama. U takvim okolnostima grijana supstanca gubi gustoću i postaje lakša u odnosu na okolni hladni prostor. Točnije, ova karakteristika ovog fenomena odgovara kretanju toplinskih tokova kada se grije voda.

Kretanje molekula u suprotnim smjerovima pod utjecajem grijanja je upravo ono na čemu se temelji konvekcija. Zračenje, provođenje topline su slični procesi, ali oni se prvenstveno odnose na prijenos toplinska energija u krutinama.

Uočljivi primjeri konvekcije su kretanje toplog zraka usred prostorije s radijatorima, kada se zagrijavaju struje kretaju pod stropom, a hladni zrak spušta se na samu površinu poda. Zato se kada je grijanje uključeno na vrhu sobe, zrak je znatno topliji od donjeg dijela prostorije.

Arhimedov zakon i toplinsko širenje fizičkih tijela

Da bismo shvatili što je prirodna konvekcija, dovoljno je uzeti u obzir proces primjerom djelovanja Arhimedovog zakona i pojave ekspanzije tijela pod utjecajem toplinskog zračenja. Dakle, prema zakonu, povećanje temperature nužno dovodi do povećanja volumena tekućine. Tekućina koja se zagrijava odozdo u spremnicima povećava, a vlažnost veće gustoće se smanjuje. U slučaju grijanja odozgo, sve manje i manje guste tekućine ostat će na svojim mjestima, u kojem slučaju neće doći do pojave.

Pojava koncepta

Izraz "konvekcija" prvi put je predložio engleski znanstvenik William Prut 1834. Upotrijebljena je za opisivanje pomaka termalnih masa u grijanim, pokretnim tekućinama.

Prve teorijske studije fenomena konvekcije počele su tek 1916. Tijekom pokusa ustanovljeno je da se prijelaz od difuzije do konvekcije u tekućinama zagrijavanjem odozdo javlja kada se postignu određene kritične temperature. Kasnije je ta vrijednost definirana kao "Roel broj". Bilo je tako nazvan po istraživaču koji ga je proučavao. Rezultati eksperimenata omogućili su da se objasni kretanje toplinskih tokova pod utjecajem Archimedesovih snaga.

Vrste konvekcije

Postoji nekoliko vrsta pojava koje smo opisali - prirodna i prisilna konvekcija. Primjer premještanja strujanja toplog i hladnog zraka u sredini prostorije najbolji je način karakterizacije procesa prirodnog konvekcije. Što se tiče prisilnog, može se primijetiti miješanjem tekućine sa žlicom, pumpom ili miješalicom.

Konvekcija je nemoguća kada se krute tvari grije. Sve je krivo za snažnu uzajamnu atrakciju s vibracijama njihovih čvrste čestice. Kao rezultat zagrijavanja tijela čvrste strukture, konvekcija i zračenje se ne pojavljuju. Toplinska vodljivost zamjenjuje ove pojave u takvim tijelima i potiče prijenos toplinske energije.

Takozvana kapilarna konvekcija je zasebna vrsta. Postoji proces s padom temperature tijekom protoka tekućine kroz cijevi. U prirodnim uvjetima, važnost takve konvekcije, zajedno s prirodnim i prisilnim, nematerijalna je. Međutim, u svemirskoj tehnologiji kapilarna konvekcija, zračenje i toplinska vodljivost materijala postaju vrlo važni čimbenici. Čak i najslabiji konvektivni pokreti u uvjetima bezubosti dovode do poteškoća pri realizaciji određenih tehničkih problema.

Konvekcija u slojevima zemljinog kora

Procesi konvekcije nerazdvojno su povezani s prirodnim stvaranjem plinovitih tvari u debljini Zemljinu koru. uzeti u obzir globus moguće je kao kugla koja se sastoji od nekoliko koncentričnih slojeva. U sredini je velika vruća jezgra, koja je tekuća masa visoke gustoće s željeza, nikla i drugih metala.

Okolni slojevi za zemaljska jezgra protegnuti litosferu i polutekući plašt. Gornji sloj kugle izravno je Zemljina kora. Litosfera je formirana od pojedinačnih ploča koje su u slobodnom kretanju, krećući se duž površine tekućeg plašta. Tijekom neravnomjernog grijanja različitih dijelova plašta i stijena, koji se razlikuju po različitom sastavu i gustoći, nastaju konvektivne struje. Pod utjecajem takvih tijekova postoji prirodna transformacija oceanskog poda i kretanja kontinenta koji nose.

Razlike u konvekciji od provođenja topline

Toplinsku vodljivost treba shvatiti kao sposobnost fizičkih tijela da prenose toplinu kroz kretanje atomskih i molekularnih spojeva. Metali su izvrsni dirigenti topline, budući da su njihove molekule u međusobno neodvojivom dodiru. Naprotiv, plinovite i hlapljive tvari djeluju kao loše kondukter.

Kako se događa konvekcija? Fizika procesa temelji se na prijenosu topline zbog slobodnog kretanja mase molekula tvari. S druge strane, toplinska vodljivost se sastoji isključivo u prijenosu energije između sastavnih čestica fizičkog tijela. Međutim, oba su procesa nemoguća bez prisustva čestica materije.

Primjeri fenomena

Najjednostavniji i najdjelotvorniji primjer konvekcije može biti proces rada običnog hladnjaka. Kruženje hladnog Freon plina kroz cijevi rashladne komore dovodi do smanjenja temperature gornjih slojeva zraka. Prema tome, zamjenjujući toplije struje, hladnoće padaju, čime se hladi proizvod.

Smješten na stražnjoj ploči hladnjaka, roštilj djeluje kao element koji olakšava uklanjanje toplog zraka formiranog u kompresoru jedinice tijekom kompresije plina. Hlađenje rešetke također se temelji na konvektivnim mehanizmima. Zbog toga se ne preporučuje nered za prostor iza hladnjaka. Uostalom, samo u ovom slučaju hlađenje se može odvijati bez poteškoća.

Drugi primjeri konvekcije mogu se vidjeti promatrajući takav prirodni fenomen kao pokret vjetra. Zagrijavanje nad sušnim kontinentima i hlađenje na terenu s teškim uvjetima, protok zraka počinje se izmjenjivati, što dovodi do njihova kretanja, kao i kretanja vlage i energije.

Kod konvekcije vezana je mogućnost lebdećih ptica i glisera. Manje gusta i toplije zračne mase s neujednačenim zagrijavanjem na površini Zemlje dovodi do stvaranja uzlaznih tokova, što pridonosi procesu naglog rasta. Da bi se prevladale maksimalne udaljenosti bez potrošnje energije i energije, ptice trebaju sposobnost da pronađu slične tokove.

Dobri primjeri konvekcije su formiranje dima u dimnjaku i vulkanskih kratera. Premještanje dima se temelji na njegovoj višoj temperaturi i manjoj gustoći u odnosu na okoliš. Kada se hladi, dim se postupno smiri u donje slojeve atmosfere. Upravo zbog toga industrijske cijevi, kroz koje dolazi do otpuštanja štetne tvari u atmosferi, čine što je moguće više.

Najčešći primjeri konvekcije u prirodi i tehnologiji

Među najjednostavnijim, razumljivim primjerima koji se mogu promatrati u prirodi, životu i tehnologiji treba napomenuti:

• kretanje zračnih struja tijekom rada domaćih radijatora;
• formiranje i kretanje oblaka;
• proces vjetra, monsuna i povjetarca;
• premještanje tektonskih zemaljskih ploča;
• procesi koji dovode do stvaranja slobodnog plina.

kuhanje

Sve više se pojava konvekcije ostvaruje u modernim kućanskim aparatima, posebice u pećnicama. Plinski ormar s konvekcijom omogućuje istovremeno kuhanje različitih jela na odvojenim razinama na različitim temperaturama. Istodobno se potpuno isključuje miješanje okusa i mirisa.

Grijanje zraka u tradicionalnoj pećnici temelji se na radu jednog plamenika, što rezultira nejednakom raspodjelom topline. Zbog svrhovitog kretanja protoka vrućeg zraka uz pomoć specijaliziranog ventilatora, posuđe u konvekcijskoj peći je više sočno, bolje pečeno. Takvi uređaji brzo se zagrijavaju, što vam omogućuje da smanjite vrijeme potrebno za kuhanje.

Naravno, za kućanice koje se kuhaju u peći samo nekoliko puta godišnje, kućanski aparat s konvekcijskom funkcijom ne može se nazvati tehnikom prve nužde. Međutim, za one koji ne mogu živjeti bez kulinarskih eksperimenata, takav uređaj će postati jednostavno nezamjenjiv u kuhinji.

Nadamo se da je predstavljeni materijal bio koristan za vas. Sve najbolje!