Wat gebeurt er als je een kom hete soep op een tafel laat liggen? Het wordt na enige tijd koud door het verlies van warmte aan de omringende lucht. En dat is (warmteoverdracht) wat we convectie noemen.
Er zijn drie soorten warmteoverdracht: straling, geleiding en convectie. Bij straling wordt warmte overgedragen in de vorm van elektromagnetische golven. In geleiding reist warmte tussen lichamen die fysiek verbonden zijn.,
convectie is echter de meest complexe vorm van warmteoverdracht omdat het de bulkbeweging van moleculen in vloeistoffen zoals vloeistoffen en gassen betreft. In eenvoudige termen, convectie kan alleen gebeuren in vloeistoffen en gassen.
convectieve warmte-en massaoverdracht (in vloeistoffen) vindt plaats via twee mechanismen:
- diffusie: de nettobeweging van moleculen van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie.
- Advection: transport van materie of warmte door de bulkbeweging van stromen in de vloeistof.,
geen van beide processen vindt plaats in vaste stoffen. Convectieve warmteoverdracht kan echter optreden in zachte vaste stoffen of mengsels waar vaste deeltjes van de ene positie naar de andere kunnen reizen.
convectieve warmteoverdracht kan worden onderverdeeld in twee categorieën: natuurlijk en geforceerd.
bij vrije of natuurlijke convectie worden stromen alleen geproduceerd door temperatuur-afgeleide dichtheidsverschillen in de vloeistof. Terwijl, in geforceerde convectie, stromen zijn te wijten aan een externe factor, zoals een ventilator of pomp. Hoe sneller de vloeistof beweegt, hoe sneller de convectie.,
nu je een algemeen idee hebt van wat convectie eigenlijk is, gaan we naar de verschillende voorbeelden en toepassingen. Hieronder hebben we tal van voorbeelden van convectieve warmteoverdracht opgesomd die je in je dagelijks leven ziet.
kokend Water
Type: geforceerde convectie
wanneer u de ketel op het fornuis zet, verwarmt het water vanaf de bodem. De moleculen in de buurt van de bodem krijgen kinetische energie en worden minder dicht., Omdat het warme water op de bodem minder dicht is dan het koude water erboven, stijgt het warme water naar het oppervlak terwijl het koude water zinkt.
het koude water op de bodem wordt dan heet en minder dicht dan het water erboven, zodat het naar het oppervlak stijgt. Het proces herhaalt zich steeds weer, en het gebeurt allemaal door het temperatuurverschil tussen de bodem en de bovenkant van de ketel. De bewegingen van watermoleculen zijn convectiestromen.,
koellichaam
Type: geforceerde convectie
het koellichaam is een passieve warmtewisselaar die de snelheid van convectieve warmteoverdracht verbetert. Het wordt veel gebruikt in elektronische apparatuur. Een conventionele CPU / GPU gebruikt bijvoorbeeld een koellichaam in combinatie met een ventilator om de bedrijfstemperatuur binnen aanvaardbare grenzen te houden.
in het algemeen bestaat een koellichaam uit een basis en vinnen die naar buiten reiken. De prestaties worden beïnvloed door verschillende factoren zoals luchtsnelheid, vinontwerp en materiaal dat wordt gebruikt om het koellichaam te bouwen.,
Land-en zeebries
beeld: Freepik
Type: natuurlijke convectie
de vorming van land-en zeebries is een van de klassieke voorbeelden van convectie. Overdag verwarmt de zon zowel het land-als het zeeoppervlak. Maar omdat het land minder warmteabsorberend vermogen heeft dan de zee, neemt de oppervlaktetemperatuur toe, waardoor de lucht eromheen opwarmt. De warme (minder dichte) lucht begint te stijgen en er ontstaat een lage druk.
tegelijkertijd ontwikkelt zich een hogedrukgebied (met koude, dichte lucht) boven de zeespiegel., Door het drukverschil stroomt de lucht van de zee naar het land, en de koude lucht die langskomt wordt een zeebries genoemd.
het proces wordt ‘ s nachts omgedraaid. Het land koelt sneller af dan de zee, waardoor de luchttemperatuur eromheen daalt en een hoge druk ontstaat. Nu stroomt de koude lucht van het land naar de zee, en dit is wat we de landbries noemen.
in beide gevallen wordt de warmte overgedragen door luchtmoleculen.,
schoorsteeneffect
Type: geforceerde convectie
wanneer lucht in en uit gebouwen, rookgasstapels of andere soortgelijke structuren stroomt, wordt het door drijfvermogen het schoorsteeneffect genoemd. Het gebeurt als gevolg van binnen en buiten temperatuur/vocht verschillen. De hoge dichtheid koude lucht duwt altijd de lage dichtheid hete gassen omhoog.
hoe groter de structuur en hoger het thermisch verschil, hoe meer de drijfkracht en dus het schoorsteeneffect., Veel wolkenkrabbers en koeltorens gebruiken hetzelfde principe om natuurlijke ventilatie en infiltratie te bereiken.
Een industriële convectieoven gebruikt in de vliegtuigindustrie
Type: geforceerde convectie
convectieovens gebruiken convectiemechanisme om voedsel sneller te koken dan conventionele ovens. Ze hebben ventilatoren om hete lucht rond het voedsel te laten circuleren, waardoor voedsel gelijkmatiger kan koken bij lagere temperaturen en in minder tijd., Industriële convectieovens worden gebruikt voor de productie van veel producten, met inbegrip van non-food items.
smelten van ijs
Type: natuurlijke convectie
convectie speelt een belangrijke rol bij het verminderen van de ijsdikte. Als warme lucht over het oppervlak van het ijs waait, verhoogt het de temperatuur van de buitenste laag van het ijs. Hoe heter de lucht en hoe sneller het waait, hoe minder tijd het ijs nodig heeft om te smelten.,
Radiator
Type: geforceerde convectie
een Radiator brengt thermische energie over van het ene medium naar het andere. Ondanks de naam gebruiken de meeste radiatoren convectie (in plaats van thermische straling) om het grootste deel van hun warmte over te brengen. Ze worden meestal gebruikt in gebouwen, auto ‘ s en elektronica.
in een ruimteverwarmingssysteem wordt bijvoorbeeld warm water of soms stoom gegenereerd in de interne spoelen. Als het water de spoel verwarmt, verwarmt en stijgt de lucht naast de radiator., Zodra de verwarmde lucht stijgt, kan koele lucht van onderaf in en door de radiator worden gezogen. Deze luchtstroom genereert verticale stromen die warme lucht door de ruimte verdelen.
koelkast
Type: geforceerde convectie
een koelkast bevat een thermisch geïsoleerde ruimte en een warmtepomp die warmte van de binnenkant van de koelkast naar de externe omgeving verplaatst. Het gebruikt convectie om koude lucht rond het voedsel te laten circuleren.
het vriesvak koelt de lucht aan de bovenkant af. Als lucht zinkt, wordt het vervangen door warmere lucht die van onderen opstijgt., Deze circulerende lucht voert warmte af van alle items in de koelkast.
Cumulus en Cumulonimbus wolken
Cumulus wolken
Type: natuurlijke convectie
Cumulus en Cumulonimbus zijn twee verschillende soorten wolken die ontstaan en groeien via convectie. Ze worden gevormd uit waterdamp die wordt gedragen door krachtige opwaartse luchtstromen.
aangezien convectiewolken zich in de stijgende luchtkolommen snel vormen, zijn ze optisch dicht., De oppervlakken van kleine druppels in deze wolken verspreiden het zonlicht meer dan de wolken die minder of Grotere druppels bevatten. Daarom zien deze wolken vaak donkergrijs aan de zijkanten weg van de zon en helder wit aan de zijkanten.
Lees: 10 basistypen wolken volgens hun hoogte
bloedcirculatie
Type: geforceerde convectie
mensen en andere zoogdieren gebruiken convectie om de lichaamstemperatuur te regelen., Het hart pompt bloed door het hele lichaam met een gemiddelde snelheid van 5 liter per minuut en de warmte die door de lichaamscellen wordt geproduceerd, wordt overgebracht naar lucht (of water) die over de huid stroomt.
als de huidtemperatuur lager is dan die van de omgevingsluchttemperatuur, krijgt het lichaam warmte door convectie en geleiding. Maar als de huidtemperatuur hoger is, verliest het lichaam warmte door convectie en geleiding. In oppervlakteweefsels, waar de snelheid van de bloedcirculatie hoger is, is warmteoverdracht voornamelijk convectief.,
Marangoni-Effect
experimentele demonstratie van Marangoni-Effect | Wikimedia
Type: natuurlijke convectie
Het Marangoni-effect is de convectie van vloeistoffen als gevolg van een gradiënt van de oppervlaktespanning. De oppervlaktespanning is afhankelijk van de temperatuur of samenstelling van de verbindingen. In het eerste geval wordt het effect thermo-capillaire convectie genoemd.
de aanwezigheid van een gradiënt in de oppervlaktespanning zorgt er van nature voor dat de vloeistof wegvloeit uit gebieden met een lage oppervlaktespanning., Dit gebeurt omdat de vloeistof met een hoge oppervlaktespanning sterker op nabijgelegen vloeistof trekt dan een met een lage oppervlaktespanning.
de beweging van de aardmantel
gehele mantel convectie | Wikimedia
Type: natuurlijke convectie
de beweging van de vaste silicaatmantel van de aarde is het gevolg van convectiestromen, die warmte van het binnenste naar het oppervlak van de planeet dragen.,
meer in het bijzonder wordt de convectie van de mantel gedreven door drie fundamentele processen:
- warmteverlies uit de Kern (20%)
- interne verwarming door radioactief verval (80%)
- koeling van bovenaf (zinken van lithosferische platen)
het veroorzaakt de bewegingen van lithosferische platen, vulkanische activiteit aan het oppervlak, magmatisme, aardbevingen, evenals de meeste tektonische en geologische processen die zich in de korst manifesteren. Naarmate de warmteproductie afneemt, koelt de planeet af, en uiteindelijk vertraagt of stopt convectie helemaal.,
Read: 4 verschillende lagen van de aarde/uitgelegd
sterren hebben Convectiezone
Type: natuurlijke convectie
verschillende turbulente activiteiten die zich binnen de ster voordoen, zorgen ervoor dat energie naar buiten beweegt. Wanneer gassen opwarmen (door energieflux van dieper in de ster) tot temperaturen die hoger zijn dan het omringende gas, stijgen, uitzetten en koelen ze. Zodra ze thermalizeren, stoppen ze met stijgen.
over het algemeen hebben sterren met een lage massa radiatieve kernen en convectieve enveloppen, terwijl sterren met een hoge massa convectieve kernen en radiatieve enveloppen hebben., De convectiezone van de zon is bijvoorbeeld de buitenste laag van het interieur, die zich uitstrekt van een diepte van 200.000 kilometer tot het zichtbare oppervlak. Dit betekent dat de energie wordt overgedragen door convectie in dit gebied.
Accretieschijven van zwarte gaten
Type: natuurlijke convectie
Dit is een vrij ongebruikelijk voorbeeld, maar onderzoek en simulaties tonen aan dat convectie van stof en gas optreedt in de accretieschijven van zwarte gaten met snelheden die dicht bij die van licht liggen., De bindbewegingen worden ontwikkeld door de dissipatie van intense gravitationele en rotatie-energieën in de accretiestromen.