Co się dzieje, gdy zostawiasz miskę gorącej zupy na stole? Po pewnym czasie robi się zimno z powodu utraty ciepła do otaczającego powietrza. I to jest (przenoszenie ciepła) to, co nazywamy konwekcją.
istnieją trzy rodzaje przenoszenia ciepła: promieniowanie, przewodzenie i konwekcja. W promieniowaniu ciepło jest przenoszone w postaci fal elektromagnetycznych. W przewodzeniu ciepło przemieszcza się między ciałami, które są fizycznie połączone.,
konwekcja jest jednak najbardziej złożoną formą wymiany ciepła, ponieważ wiąże się z masowym ruchem cząsteczek w płynach, takich jak ciecze i gazy. Mówiąc najprościej, konwekcja może mieć miejsce tylko w cieczach i gazach.
konwekcyjne przenoszenie ciepła i masy (w płynach) odbywa się za pomocą dwóch mechanizmów:
- Dyfuzja: ruch netto cząsteczek z regionu o wyższym stężeniu do regionu o niższym stężeniu.
- Adwekcja: transport materii lub ciepła przez ruch masowy prądów w cieczy.,
żaden z procesów nie zachodzi w sztywnych ciałach stałych. Jednak konwekcyjne przenoszenie ciepła może wystąpić w miękkich ciałach stałych lub mieszaninach, w których cząstki stałe mogą przemieszczać się z jednego miejsca do drugiego.
konwekcyjne przenoszenie ciepła można podzielić na dwie kategorie: naturalne i wymuszone.
w konwekcji swobodnej lub naturalnej prądy są wytwarzane tylko przez różnice gęstości cieczy wynikające z temperatury. Natomiast w konwekcji wymuszonej prądy są spowodowane czynnikiem zewnętrznym, takim jak wentylator lub pompa. Im szybciej płyn się porusza, tym szybciej konwekcja.,
teraz, gdy masz ogólne pojęcie, czym właściwie jest konwekcja, przejdźmy do różnych przykładów i zastosowań. Poniżej wymieniliśmy wiele przykładów konwekcyjnego przenoszenia ciepła, które widzisz w swoim codziennym życiu.
wrząca woda
Typ: konwekcja wymuszona
Po umieszczeniu czajnika na piecu podgrzewa wodę od dołu. Cząsteczki znajdujące się w pobliżu dna zyskują energię kinetyczną i stają się mniej gęste., Ponieważ gorąca woda na dnie jest mniej gęsta niż zimna woda nad nią, gorąca woda zaczyna unosić się na powierzchnię, podczas gdy zimna woda tonie.
zimna woda na dnie staje się wtedy gorąca i mniej gęsta niż woda nad nią, więc unosi się na powierzchnię. Proces powtarza się wielokrotnie, a wszystko to dzieje się ze względu na różnicę temperatur między dnem i górą czajnika. Ruchami cząsteczek wody są prądy konwekcyjne.,
Radiator
Typ: konwekcja wymuszona
radiator jest pasywnym wymiennikiem ciepła, który poprawia szybkość konwekcyjnego przenoszenia ciepła. Jest szeroko stosowany w sprzęcie elektronicznym. Na przykład konwencjonalny procesor / GPU wykorzystuje radiator w połączeniu z wentylatorem, aby utrzymać temperaturę roboczą w tolerowanych granicach.
generalnie radiator składa się z podstawy i płetw, które rozciągają się na zewnątrz. Na jego wydajność wpływają różne czynniki, takie jak prędkość powietrza, konstrukcja płetwy i materiał użyty do budowy radiatora.,
bryza lądowa i morska
Image credit: Freepik
Typ: naturalna konwekcja
formowanie się bryzy lądowej i morskiej jest jednym z klasycznych przykładów konwekcji. Słońce nagrzewa się zarówno powierzchni lądu i morza w ciągu dnia. Ale ponieważ ląd ma mniejszą zdolność pochłaniania ciepła niż morze, jego temperatura powierzchniowa wzrasta, ogrzewając powietrze wokół niego. Ciepłe (mniej gęste) powietrze zaczyna rosnąć i powstaje niskie ciśnienie.
w tym samym czasie nad morzem rozwija się obszar wysokiego ciśnienia (z zimnym, gęstym powietrzem)., Ze względu na różnicę ciśnień powietrze przepływa z morza na ląd, a zimne powietrze, które się pojawia, nazywane jest morską bryzą.
proces odwraca się w nocy. Ląd ochładza się szybciej niż morze, obniżając temperaturę powietrza wokół niego i tworząc sytuację wysokiego ciśnienia. Teraz zimne powietrze płynie z lądu do morza, a to nazywamy lądową bryzą.
w obu przypadkach ciepło przenosi się przez cząsteczki powietrza.,
efekt kominowy
Typ: konwekcja wymuszona
gdy powietrze przepływa do i z budynków, kominów lub innych podobnych konstrukcji, ze względu na Wyporność, nazywa się to efektem kominowym. Dzieje się tak ze względu na różnice temperatury/wilgoci wewnątrz i na zewnątrz. Zimne powietrze o wysokiej gęstości zawsze popycha gorące gazy o niskiej gęstości.
im wyższa konstrukcja i wyższa różnica termiczna, tym większa siła wyporu, a tym samym efekt kominowy., Wiele wieżowców i wież chłodniczych wykorzystuje tę samą zasadę, aby uzyskać naturalną wentylację i infiltrację.
Piec konwekcyjny
przemysłowy Piec konwekcyjny stosowany w przemyśle lotniczym
Typ: wymuszona konwekcja
piece konwekcyjne wykorzystują mechanizm konwekcyjny do gotowania żywności szybciej niż konwencjonalne piece. Mają wentylatory do cyrkulacji gorącego powietrza wokół żywności, co umożliwia bardziej równomierne gotowanie w niższych temperaturach iw krótszym czasie., Przemysłowe Piece konwekcyjne są wykorzystywane do produkcji wielu produktów, w tym artykułów nieżywnościowych.
topnienie lodu
Typ: konwekcja naturalna
konwekcja odgrywa główną rolę w procesie zmniejszania grubości lodu. Gdy ciepłe powietrze wieje nad powierzchnię lodu, zwiększa temperaturę zewnętrznej warstwy lodu. Im gorętsze powietrze i szybciej wieje, tym mniej czasu zajmie stopienie lodu.,
grzejnik
Typ: konwekcja wymuszona
grzejnik przenosi energię cieplną z jednego medium do drugiego. Wbrew nazwie, większość grzejników wykorzystuje konwekcję (zamiast promieniowania cieplnego) do przenoszenia większości ciepła. Są one najczęściej stosowane w budynkach, samochodach i elektronice.
w systemie ogrzewania pomieszczeń, na przykład, gorąca woda lub czasami para jest wytwarzana w cewkach wewnętrznych. Gdy woda podgrzewa cewkę, powietrze obok chłodnicy ogrzewa się i podnosi., Gdy podgrzane powietrze podniesie się, chłodne powietrze może być wciągane do i przez grzejnik od spodu. Ten przepływ powietrza generuje prądy pionowe, które rozprowadzają ciepłe powietrze w całym pomieszczeniu.
lodówka
Typ: konwekcja wymuszona
lodówka zawiera izolowaną termicznie komorę i pompę ciepła, która przenosi ciepło z wnętrza lodówki do otoczenia zewnętrznego. Wykorzystuje konwekcję do cyrkulacji zimnego powietrza wokół żywności.
komora zamrażarki chłodzi powietrze u góry. Gdy powietrze tonie, jest zastępowane przez cieplejsze powietrze wznoszące się od dołu., To powietrze obiegowe odprowadza ciepło ze wszystkich przedmiotów w lodówce.
chmury Cumulus i Cumulonimbus
chmury Cumulus
Typ: konwekcja naturalna
Cumulus i Cumulonimbus to dwa różne rodzaje chmur, które tworzą się i rosną w wyniku konwekcji. Powstają one z pary wodnej przenoszonej przez silne prądy powietrzne.
ponieważ chmury konwekcyjne mają tendencję do szybkiego tworzenia się w wznoszących się kolumnach powietrza, są optycznie gęste., Powierzchnie małych kropelek w tych chmurach rozpraszają światło słoneczne bardziej niż chmury zawierające mniej lub więcej kropelek. Z tego powodu chmury te często wyglądają na ciemnoszare po bokach z dala od Słońca i jaskrawo białe po bokach zwróconych ku niemu.
przeczytaj: 10 podstawowych rodzajów chmur według ich wysokości
krążenie krwi
Typ: konwekcja wymuszona
ludzie i inne ssaki stosują konwekcję do regulacji temperatury ciała., Serce pompuje krew w całym ciele ze średnią szybkością 5 litrów na minutę, a ciepło wytwarzane przez komórki ciała jest przenoszone do powietrza (lub wody) przepływającego przez skórę.
Jeśli temperatura skóry jest niższa niż temperatura otaczającego powietrza, ciało zyskuje ciepło przez konwekcję i przewodzenie. Ale jeśli temperatura skóry jest wyższa, ciało traci ciepło przez konwekcję i przewodzenie. W tkankach powierzchniowych, gdzie szybkość krążenia krwi jest wyższa, transfer ciepła jest głównie konwekcyjny.,
efekt Marangoniego
eksperymentalna demonstracja efektu Marangoniego | Wikimedia
Typ: konwekcja naturalna
efekt Marangoniego to konwekcja płynów spowodowana gradientem napięcia powierzchniowego. Napięcie powierzchniowe zależy od temperatury lub składu związków. W pierwszym przypadku efekt nazywa się konwekcją termo-kapilarną.
obecność gradientu napięcia powierzchniowego naturalnie powoduje, że ciecz odpływa z regionów o niskim napięciu powierzchniowym., Dzieje się tak, ponieważ ciecz o wysokim napięciu powierzchniowym mocniej pociąga za pobliską ciecz niż ciecz o niskim napięciu powierzchniowym.
ruch płaszcza Ziemi
konwekcja całego płaszcza | Wikimedia
Typ: konwekcja naturalna
ruch płaszcza krzemianowego ziemi wynikający z prądów konwekcyjnych, które przenoszą ciepło z wnętrza na powierzchnię planety, nazywa się ziemią.konwekcja.,
konwekcja płaszcza jest napędzana przez trzy podstawowe procesy:
- utrata ciepła z rdzenia (20%)
- ogrzewanie wewnętrzne z rozpadu promieniotwórczego (80%)
- chłodzenie z góry (zatapianie płyt litosferycznych)
powoduje ruchy płyt litosferycznych, powierzchniową aktywność wulkaniczną, magmatyzm, trzęsienia ziemi, a także większość procesów tektonicznych i geologicznych przejawiających się w skorupie ziemskiej. W miarę zmniejszania się tempa wytwarzania ciepła planeta ochładza się, a konwekcja spowalnia lub całkowicie się zatrzymuje.,
przeczytaj: 4 różne warstwy ziemi/wyjaśnione
Gwiazdy mają strefę konwekcji
Typ: konwekcja naturalna
różne burzliwe działania, zachodzące wewnątrz Gwiazdy, powodują ruch energii na zewnątrz. Kiedy gazy nagrzewają się (ze względu na strumień energii z głębszego wnętrza Gwiazdy) do temperatur wyższych niż otaczający Gaz, wzrastają, rozszerzają się i ochładzają. Kiedy się termalizują, przestają rosnąć.
Ogólnie rzecz biorąc, Gwiazdy o niskiej masie mają rdzenie radiacyjne i koperty konwekcyjne, podczas gdy gwiazdy o dużej masie mają rdzenie konwekcyjne i koperty radiacyjne., Strefa konwekcji słońca, na przykład, jest najbardziej zewnętrzną warstwą wnętrza, która rozciąga się od głębokości 200 000 kilometrów do powierzchni widzialnej. Oznacza to, że energia jest przenoszona przez konwekcję w tym regionie.
dyski Akrecyjne czarnych dziur
Typ: konwekcja naturalna
jest to dość nietypowy przykład, ale badania i symulacje pokazują, że konwekcja pyłu i gazu zachodzi w dyskach akrecyjnych czarnych dziur przy prędkościach zbliżonych do prędkości światła., Ruchy łączne są rozwijane przez rozpraszanie intensywnych energii grawitacyjnych i obrotowych w przepływach akrecyjnych.