vad händer när du lämnar en skål med varm soppa på ett bord? Det blir kallt efter en tid på grund av värmeförlusten till den omgivande luften. Och det är (överföring av värme) vad vi kallar konvektion.
det finns tre typer av värmeöverföring: strålning, ledning och konvektion. Vid strålning överförs värme i form av elektromagnetiska vågor. I ledning färdas värme mellan kroppar som är fysiskt anslutna.,
konvektion är dock den mest komplexa formen av värmeöverföring eftersom det innebär bulkrörelse av molekyler inom vätskor som vätskor och gaser. I enkla termer kan konvektion endast ske i vätskor och gaser.
konvektiv värme-och massöverföring (i vätskor) sker via två mekanismer:
- Diffusion: nettorörelse av molekyler från en region med högre koncentration till en region med lägre koncentration.
- Advection: transport av materia eller värme genom bulkrörelse av strömmar i vätskan.,
ingen av processerna sker i stela fasta ämnen. Konvektiv värmeöverföring kan emellertid förekomma i mjuka fasta ämnen eller blandningar där fasta partiklar kan röra sig från en position till en annan.
konvektiv värmeöverföring kan delas in i två kategorier: naturlig och tvungen.
i fri eller naturlig konvektion produceras strömmar endast genom temperaturderiverade densitetsskillnader i vätskan. Medan, i forcerad konvektion, strömmar beror på en yttre faktor som en fläkt eller pump. Ju snabbare vätskan rör sig desto snabbare konvektionshastigheten.,
Nu när du har en allmän uppfattning om vad konvektion faktiskt är låt oss gå till de olika exempel och program. Nedan har vi listat massor av exempel på konvektiv värmeöverföring som du ser i ditt vardag.
kokande vatten
typ: forcerad konvektion
När du lägger vattenkokaren på spisen värms vattnet från botten. Molekylerna nära botten får kinetisk energi och blir mindre täta., Eftersom det varma vattnet i botten är mindre tätt än det kalla vattnet ovanför det, börjar det varma vattnet stiga till ytan medan det kalla vattnet sjunker.
det kalla vattnet i botten blir sedan varmt och mindre tätt än vattnet ovanför det, så det stiger till ytan. Processen upprepas om och om igen, och allt händer på grund av temperaturskillnaden mellan botten och toppen av vattenkokaren. Vattenmolekylernas rörelser är konvektionsströmmar.,
kylfläns
typ: forcerad konvektion
kylflänsen är en passiv värmeväxlare som förbättrar graden av konvektiv värmeöverföring. Det används ofta i elektronisk utrustning. Till exempel använder en konventionell CPU/GPU en kylfläns i samband med en fläkt för att hålla driftstemperaturen inom tolerabla gränser.
i allmänhet består en kylfläns av en bas och fenor som sträcker sig utåt. Dess prestanda påverkas av olika faktorer såsom lufthastighet, fin design och material som används för att bygga kylflänsen.,
land och havsbris
bildkredit: Freepik
typ: naturlig konvektion
bildandet av land och havsbris är ett av de klassiska exemplen på konvektion. Solen värmer upp både land-och havsytan under dagen. Men eftersom marken har mindre värmeabsorberande kapacitet än havet, ökar dess yttemperatur och värmer upp luften runt den. Den varma (mindre täta) luften börjar stiga och lågt tryck skapas.
samtidigt utvecklas ett högtrycksområde (med kall, tät luft) över toppen av havet., På grund av tryckskillnaden strömmar luften från havet till landet, och den kalla luften som kommer med kallas en havsbris.
processen blir omvänd under natten. Marken svalnar snabbare än havet, minskar lufttemperaturen runt den och skapar en högtrycks situation. Nu strömmar den kalla luften från landet till havet, och det här är vad vi kallar landbrisen.
i båda fallen överför värmen genom luftmolekyler.,
skorstenseffekt
typ: forcerad konvektion
när luft strömmar in och ut ur byggnaderna, rökgasstackar eller andra liknande strukturer, på grund av flytkraft, kallas det skorstenseffekten. Det händer på grund av inomhus-och utomhustemperatur/fuktskillnader. Den kalla luften med hög densitet trycker alltid upp de heta gaserna med låg densitet.
ju högre struktur och högre termisk skillnad, desto mer flytkraft och därmed skorstenen effekt., Många skyskrapor och kyltorn använder samma princip för att uppnå naturlig ventilation och infiltration.
konvektion ugn
en industriell konvektion ugn som används i flygplanstillverkningsindustrin
typ: forcerad konvektion
konvektion ugnar använder konvektion mekanism för att laga mat snabbare än konventionella ugnar. De har fläktar att cirkulera varm luft runt maten, vilket gör att maten kan laga mer jämnt vid lägre temperaturer och på kortare tid., Industriella konvektionsugnar används för tillverkning av många produkter, inklusive icke-livsmedelsprodukter.
smältning av is
typ: naturlig konvektion
konvektion spelar en viktig roll i processen att minska istjockleken. När varm luft blåser över isens yta ökar temperaturen på isens yttre lager. Ju varmare luften och ju snabbare det blåser, desto mindre tid tar isen att smälta.,
Radiator
typ: forcerad konvektion
en Radiator överför värmeenergi från ett medium till ett annat. Trots namnet använder de flesta radiatorer konvektion (istället för termisk strålning) för att överföra huvuddelen av deras värme. De används oftast i byggnader, bilar och elektronik.
i ett rumsuppvärmningssystem genereras till exempel varmt vatten eller ibland ånga i de inre spolarna. När vattnet värmer spolen värmer luften bredvid radiatorn och höjer., När den uppvärmda luften stiger, kan kall luft dras in och genom radiatorn underifrån. Detta luftflöde genererar vertikala strömmar som fördelar varm luft i hela rummet.
kylskåp
typ: forcerad konvektion
ett kylskåp innehåller ett värmeisolerat fack och en värmepump som flyttar värmen från kylskåpets insida till dess yttre miljö. Den använder konvektion för att cirkulera kall luft runt maten.
frysfacket kyler luften högst upp. Som luft sjunker, ersätts den av varmare luft som stiger underifrån., Denna cirkulerande luft leder bort värme från alla föremål i kylskåpet.
Cumulus och Cumulonimbus moln
cumulusmoln
typ: naturlig konvektion
Cumulus och Cumulonimbus är två olika typer av moln som bildas och växer via konvektion. De bildas av vattenånga som bärs av kraftiga uppåtgående luftströmmar.
eftersom konvektionsmoln tenderar att bildas snabbt i de stigande kolumnerna av luft, är de optiskt täta., Ytorna på små droppar i dessa moln sprider solljuset mer än molnen som innehåller färre eller större droppar. Det är därför dessa moln ofta ser Mörkgrå på sidorna bort från solen och ljust vitt på sidorna mot den.
Läs: 10 grundläggande typer av moln enligt deras höjdnivåer
blodcirkulation
typ: tvungen konvektion
människor och andra däggdjur använder konvektion för att reglera kroppstemperaturen., Hjärtat pumpar blod i hela kroppen med en genomsnittlig hastighet av 5 liter per minut och värmen som produceras av kroppscellerna överförs till luft (eller vatten) som strömmar över huden.
om hudtemperaturen är lägre än den omgivande lufttemperaturen, får kroppen värme genom konvektion och ledning. Men om hudtemperaturen är högre, förlorar kroppen värme genom konvektion och ledning. I ytvävnader, där blodcirkulationshastigheten är högre, är värmeöverföring huvudsakligen konvektiv.,
Marangoni effekt
experimentell demonstration av Marangoni effekt/Wikimedia
typ: naturlig konvektion
Marangoni effekten är konvektion av vätskor på grund av en gradient av ytspänningen. Ytspänningen beror på temperaturen eller sammansättningen av föreningarna. I det tidigare fallet kallas effekten termo-kapillär konvektion.
närvaron av en gradient i ytspänningen orsakar naturligt att vätskan strömmar bort från områden med låg ytspänning., Detta händer eftersom vätskan med hög ytspänning drar starkare på närliggande vätska än en med låg ytspänning.
rörelsen av jordens mantel
helmantelkonvektion/Wikimedia
typ: naturlig konvektion
rörelsen av jordens fasta silikatmantel berodde på konvektionsströmmar, som bär värme från insidan till planetens yta, kallas Jordkonvektion.,
Mer specifikt drivs mantelkonvektion av tre grundläggande processer:
- värmeförlust från kärnan (20%)
- intern uppvärmning från radioaktivt sönderfall (80%)
- kylning ovanifrån (sänkning av litosfäriska plattor)
det orsakar rörelser av litosfäriska plattor, ytvolkanisk aktivitet, magmatism, jordbävningar, liksom de flesta av de tektoniska och geologiska processerna som manifesteras i skorpan. Eftersom värmeproduktionshastigheten minskar kyler planeten, och i slutändan sänker konvektionen eller stannar helt och hållet.,
Läs: 4 olika lager av jorden / förklarade
stjärnor har Konvektionszon
typ: naturlig konvektion
olika turbulenta aktiviteter, som förekommer inuti stjärnan, orsakar energi att röra sig utåt. När gaser värms upp (på grund av energiflöde från djupare inuti stjärnan) till temperaturer som är högre än den omgivande gasen, stiger de, expanderar och kyler. När de värmealiserar, slutar de stiga.
i allmänhet har stjärnor med låg massa radiativa kärnor och konvektiva kuvert, medan stjärnor med hög massa har konvektiva kärnor och radiativa kuvert., Solens konvektionszon är till exempel det yttersta lagret av inredningen, som sträcker sig från ett djup av 200 000 kilometer upp till den synliga ytan. Detta innebär att energin överförs genom konvektion i denna region.
Accretion diskar av svarta hål
typ: naturlig konvektion
detta är ganska ovanligt exempel, men forskning och simuleringar visar att konvektion av damm och gas sker i de svarta hålens accretion diskar vid hastigheter nära ljusets., Binderörelserna utvecklas genom avledning av intensiva gravitations-och rotationsenergier i ackretionsflödena.