Jeśli zbliżysz rękę do włączonej lampy elektrycznej lub położysz dłoń na rozgrzanym piecu, poczujesz ruch prądów ciepłego powietrza. Ten sam efekt można zaobserwować, gdy kartka papieru oscyluje nad otwartym płomieniem. Oba efekty można wyjaśnić konwekcją.
Co to jest?
Zjawisko konwekcji polega na rozszerzaniu się zimniejszej substancji w kontakcie z gorącymi masami. W takich warunkach nagrzana substancja traci swoją gęstość i staje się lżejsza w porównaniu z otaczającą ją zimną przestrzenią. Najdokładniej ta charakterystyka zjawiska odpowiada ruchowi przepływów ciepła podczas podgrzewania wody.
Ruch cząsteczek w przeciwnych kierunkach pod wpływem ogrzewania jest dokładnie tym, na czym opiera się konwekcja. Promieniowanie i przewodnictwo cieplne są podobnymi procesami, ale dotyczą przede wszystkim przekazywania energii cieplnej w ciałach stałych.
Żywe przykłady konwekcji - ruch ciepłego powietrza w środku pomieszczenia z ogrzewaniemurządzenia, gdy nagrzane strumienie poruszają się pod sufitem, a zimne powietrze schodzi na samą powierzchnię podłogi. Dlatego przy włączonym ogrzewaniu powietrze na górze pomieszczenia jest wyraźnie cieplejsze niż na dole pomieszczenia.
Prawo Archimedesa i rozszerzalność cieplna ciał fizycznych
Aby zrozumieć, czym jest konwekcja naturalna, wystarczy rozważyć ten proces na przykładzie prawa Archimedesa i zjawiska rozszerzania się ciał pod wpływem promieniowania cieplnego. Tak więc, zgodnie z prawem, wzrost temperatury z konieczności prowadzi do wzrostu objętości cieczy. Ciecz podgrzana od dołu w pojemnikach unosi się wyżej, a wilgoć odpowiednio o większej gęstości porusza się niżej. W przypadku ogrzewania od góry na swoich miejscach pozostaną ciecze o większej i mniejszej gęstości, w takim przypadku zjawisko to nie wystąpi.
Pojawienie się koncepcji
Termin „konwekcja” został po raz pierwszy zaproponowany przez angielskiego naukowca Williama Prouta w 1834 roku. Służył do opisu ruchu mas termicznych w nagrzanych, poruszających się cieczach.
Pierwsze teoretyczne badania zjawiska konwekcji rozpoczęły się dopiero w 1916 roku. W trakcie eksperymentów stwierdzono, że przejście od dyfuzji do konwekcji w cieczach ogrzewanych od dołu następuje po osiągnięciu określonych krytycznych wartości temperatur. Później wartość ta została zdefiniowana jako „liczba rolkowa”. Został tak nazwany na cześć badacza, który go badał. Wyniki eksperymentów pozwoliły wyjaśnić ruch strumieni ciepła pod wpływem sił Archimedesa.
Rodzaje konwekcji
Istnieje kilka rodzajów zjawiska, które opisujemy - konwekcja naturalna i wymuszona. Przykład ruchu strumieni ciepłego i zimnego powietrza na środku pomieszczenia to najlepszy sposób na scharakteryzowanie procesu naturalnej konwekcji. Jeśli chodzi o forsowanie, można to zaobserwować podczas mieszania płynu łyżką, pompką lub mieszadłem.
Konwekcja jest niemożliwa, gdy ciała stałe są ogrzewane. Wynika to z dość silnego wzajemnego przyciągania podczas wibracji ich stałych cząstek. W wyniku nagrzewania się ciał stałych nie dochodzi do konwekcji i promieniowania. Przewodność cieplna zastępuje te zjawiska w takich ciałach i przyczynia się do przekazywania energii cieplnej.
Tzw. konwekcja kapilarna jest odrębnym typem. Proces ten zachodzi, gdy temperatura zmienia się podczas przepływu płynu przez rury. W warunkach naturalnych znaczenie takiej konwekcji, wraz z konwekcją naturalną i wymuszoną, jest skrajnie nieistotne. Jednak w technice kosmicznej konwekcja kapilarna, promieniowanie i przewodność cieplna materiałów stają się bardzo istotnymi czynnikami. Nawet najsłabsze ruchy konwekcyjne w warunkach nieważkości utrudniają realizację niektórych zadań technicznych.
Konwekcja w warstwach skorupy ziemskiej
Procesy konwekcji są nierozerwalnie związane z naturalnym tworzeniem się substancji gazowych w grubości skorupy ziemskiej. Globus można uznać za kulę składającą się z kilku koncentrycznych warstw. W samym środku znajduje się masywny gorący rdzeń, który jest płynną masą o dużej gęstości zawierającą żelazo,nikiel, a także inne metale.
Otoczone warstwy jądra Ziemi to litosfera i półpłynny płaszcz. Górna warstwa kuli ziemskiej to bezpośrednio skorupa ziemska. Litosfera jest utworzona z pojedynczych płyt, które poruszają się swobodnie po powierzchni płaszcza cieczy. W trakcie nierównomiernego nagrzewania się różnych części płaszcza i skał, różniących się składem i gęstością, powstają przepływy konwekcyjne. To pod wpływem takich przepływów następuje naturalne przekształcenie dna oceanicznego i ruch kontynentów nośnych.
Różnice między konwekcją a przewodnictwem ciepła
Przewodnictwo cieplne należy rozumieć jako zdolność ciał fizycznych do przenoszenia ciepła poprzez ruch związków atomowych i molekularnych. Metale są doskonałymi przewodnikami ciepła, ponieważ ich cząsteczki są ze sobą w bliskim kontakcie. Wręcz przeciwnie, substancje gazowe i lotne działają jak słabe przewodniki ciepła.
Jak zachodzi konwekcja? Fizyka procesu opiera się na przenoszeniu ciepła w wyniku swobodnego ruchu masy cząsteczek substancji. Z kolei przewodnictwo cieplne polega wyłącznie na przenoszeniu energii między cząstkami składowymi ciała fizycznego. Jednak oba procesy są niemożliwe bez obecności cząstek materii.
Przykłady zjawiska
Najprostszym i najbardziej zrozumiałym przykładem konwekcji jest proces w zwykłej lodówce. Krążenieschłodzony freon gazowy przez rury komory chłodniczej prowadzi do obniżenia temperatury górnych warstw powietrza. W związku z tym, zastępowane przez cieplejsze strumienie, zimne opadają, schładzając w ten sposób produkty.
Ruszt umieszczony na tylnym panelu lodówki pełni rolę elementu ułatwiającego usuwanie ciepłego powietrza powstałego w sprężarce agregatu podczas sprężania gazu. Chłodzenie sieci również opiera się na mechanizmach konwekcyjnych. Z tego powodu nie zaleca się zaśmiecania przestrzeni za lodówką. W końcu tylko w tym przypadku chłodzenie może nastąpić bez trudności.
Inne przykłady konwekcji można zobaczyć, obserwując tak naturalne zjawisko jak ruch wiatru. Ogrzewając się na suchych kontynentach i ochładzając na trudniejszym terenie, prądy powietrza zaczynają się wzajemnie przemieszczać, powodując ich ruch, a także przenoszenie wilgoci i energii.
Możliwość szybowania ptaków i szybowców jest powiązana z konwekcją. Mniej gęste i cieplejsze masy powietrza, przy nierównomiernym ogrzewaniu w pobliżu powierzchni Ziemi, prowadzą do powstawania prądów wstępujących, co przyczynia się do procesu szybowania. Aby pokonać maksymalne odległości bez wysiłku i energii, ptaki potrzebują umiejętności znajdowania takich strumieni.
Dobrymi przykładami konwekcji są powstawanie dymu w kominach i kraterach wulkanicznych. Ruch dymu w górę wynika z jego wyższej temperatury i mniejszej gęstości w porównaniu z otoczeniem. W miarę ochładzania się dymu stopniowo osiada w niższych warstwach atmosfery. Właśnie z tego powoduRury przemysłowe, przez które szkodliwe substancje są uwalniane do atmosfery, są wykonane tak wysoko, jak to możliwe.
Najczęstsze przykłady konwekcji w przyrodzie i technologii
Wśród najprostszych, łatwych do zrozumienia przykładów, które można zaobserwować w przyrodzie, życiu codziennym i technologii, należy wyróżnić:
- przepływ powietrza podczas pracy domowych baterii grzewczych;
- tworzenie i ruch chmur;
- proces ruchu wiatru, monsunów i bryz;
- przesunięcie tektonicznych płyt ziemi;
- procesy, które prowadzą do swobodnego tworzenia się gazu.
Gotowanie
Coraz częściej zjawisko konwekcji jest realizowane we współczesnym sprzęcie AGD, w szczególności w piekarnikach. Szafka gazowa z konwekcją umożliwia jednoczesne gotowanie różnych potraw na różnych poziomach w różnych temperaturach. To całkowicie eliminuje mieszanie smaków i zapachów.
Tradycyjny piekarnik wykorzystuje jeden palnik do podgrzewania powietrza, co powoduje nierównomierne rozprowadzanie ciepła. Dzięki celowemu ruchowi strumieni gorącego powietrza za pomocą specjalistycznego wentylatora, potrawy w piecu konwekcyjnym okazują się bardziej soczyste i lepiej upieczone. Takie urządzenia szybciej się nagrzewają, co skraca czas gotowania.
Oczywiście dla gospodyń domowych, które gotują w piekarniku tylko kilka razy w roku, sprzęt AGD zfunkcji konwekcji nie można nazwać techniką pierwszej konieczności. Jednak dla tych, którzy nie mogą żyć bez kulinarnych eksperymentów, takie urządzenie stanie się po prostu niezastąpione w kuchni.
Mamy nadzieję, że przedstawiony materiał był dla Ciebie przydatny. Powodzenia!
