Fenomenul de convecție și exemple de convecție

Dacă vă apropiați de mână de becul inclus sau vă puneți mâna peste placa fierbinte, puteți simți mișcarea fluxurilor de aer cald. Același efect poate fi observat și printr-o balansare a unei foi de hârtie plasată pe o flacără deschisă. Ambele efecte sunt explicate prin convecție.

Ce este?

În centrul fenomenului de convecție se află expansiunea unei substanțe mai reci, atunci când intră în contact cu masele fierbinți. În aceste condiții, substanța încălzită își pierde densitatea și devine mai ușoară în comparație cu spațiul rece din jur. În mod mai precis, această caracteristică a fenomenului corespunde mișcării fluxurilor de căldură atunci când apa este încălzită.

Mișcarea moleculelor în direcții opuse sub influența încălzirii este exact ceea ce se bazează pe convecție. Radiația, conducerea căldurii sunt procese similare, dar se referă în primul rând la transmisie energia termică în solide.

exemple notabile de convecție - circulația aerului cald în mijlocul camerei cu dispozitivele de încălzire atunci când fluxurile încălzite trece la tavan și aer rece cade pe podea de suprafață. De aceea, atunci când încălzirea aerul din cameră mai cald decât partea inferioară a camerei.

Legea lui Archimedes și expansiunea termică a corpurilor fizice

Pentru a înțelege ce convecție naturală este, este suficient să considerăm procesul prin exemplul acțiunii legii lui Archimedes și fenomenul de expansiune a corpurilor sub influența radiației termice. Astfel, conform legii, o creștere a temperaturii duce în mod necesar la o creștere a volumului de lichid. Lichidul încălzit de jos în rezervoare crește, iar umiditatea cu densitate mai mare, respectiv, se mișcă mai jos. În cazul încălzirii de deasupra, în locurile lor vor rămâne lichide mai mult și mai puțin dense, caz în care nu se va produce niciun fenomen.

Apariția conceptului

Termenul "convecție" a fost propus pentru prima dată de către omul de știință englez William Prut în 1834. Acesta a fost folosit pentru a descrie deplasarea masei termice în lichide încălzite, în mișcare.

Primele studii teoretice ale fenomenului de convecție au început abia în 1916. În cursul experimentelor sa stabilit că trecerea de la difuzie la convecție în lichide încălzite de jos apare atunci când se ating anumite valori ale temperaturii critice. Mai târziu, această valoare a fost definită ca "numărul Roel". A fost numit așa după cercetătorul care îl studia. Rezultatele experimentelor au făcut posibilă explicarea mișcării fluxurilor de căldură sub influența forțelor Archimedes.

Tipuri de convecție

Există mai multe tipuri de fenomene descrise de noi - convecție naturală și forțată. Un exemplu de mutare a fluxurilor de aer cald și rece în mijlocul camerei este cea mai bună modalitate de a caracteriza procesul de convecție naturală. Cât despre cel forțat, poate fi observat prin amestecarea lichidului cu o lingură, o pompă sau un agitator.

Convecția este imposibilă atunci când solidele sunt încălzite. Totul este de vină pentru o atracție reciprocă puternică cu vibrația particulelor lor solide. Ca urmare a încălzirii corpurilor unei structuri solide, convecția și radiația nu apar. Conductivitatea termică înlocuiește aceste fenomene în astfel de corpuri și promovează transferul energiei termice.

Așa-numita convecție capilară este un tip separat. Există un proces cu căderi de temperatură în timpul fluxului de lichid prin țevi. În condiții naturale, importanța unei astfel de convecție, împreună cu naturale și forțate, este imaterială. Cu toate acestea, în tehnologia spațială, convecția capilară, radiația și conductivitatea termică a materialelor devin factori foarte importanți. Chiar și cele mai slabe mișcări convective în condițiile lipsei de greutate duc la dificultăți în realizarea unor probleme tehnice.

Convecție în straturi de crustă a pământului

Procesele de convecție sunt legate în mod inextricabil de formarea naturală a substanțelor gazoase în grosime crusta pământului. lua în considerare glob este posibil ca o sferă formată din mai multe straturi concentrice. În centru este un miez cald masiv, care este o masă lichidă de înaltă densitate cu fier, nichel și alte metale.

Straturile din jur pentru pământului ieșirea din manta litosferică și semi-lichidă. Stratul superior al globului este direct crusta pământului. Litosfera este formată din plăci individuale care se află în mișcare liberă, care se deplasează de-a lungul suprafeței mantalei lichide. În timpul încălzirii neuniforme a diferitelor părți ale mantalei și a rocilor, care diferă în funcție de compoziția și densitatea lor diferite, se formează curenți convectivi. Este sub influența unor astfel de fluxuri că există o transformare naturală a podelei oceanice și mișcarea continentului rulant.

Diferențele de convecție din conducta de căldură

Conductivitatea termică trebuie înțeleasă ca capacitatea corpurilor fizice de a transfera căldură prin mișcarea compușilor atomici și moleculari. Metalele sunt conductori excelenți de căldură, deoarece moleculele lor sunt în contact inextricabil unul cu celălalt. Dimpotrivă, substanțele gazoase și volatile acționează ca conductori de încălzire slabi.

Cum apare convecția? Fizica procesului se bazează pe transferul căldurii datorită liberei circulații a masei de molecule de substanțe. La rândul său, conductivitatea termică constă doar în transferul de energie între particulele componente ale corpului fizic. Cu toate acestea, ambele procese sunt imposibile fără prezența particulelor de materie.

Exemple ale fenomenului

Cel mai simplu și mai accesibil exemplu de convecție poate fi procesul de operare a unui frigider obișnuit. Circulația gazului freon refrigerat prin țevile camerei frigorifice duce la o scădere a temperaturii straturilor superioare de aer. În consecință, înlocuind fluxurile mai calde, cele reci pot scădea, răcirea produselor.

Situat pe panoul din spate al frigiderului, grătarul funcționează ca un element care facilitează îndepărtarea aerului cald format în compresorul unității în timpul comprimării gazului. Răcirea prin răcire este de asemenea bazată pe mecanisme convective. Din acest motiv, nu este recomandat să aglomerați spațiul din spatele frigiderului. La urma urmei, doar în acest caz răcirea poate avea loc fără dificultăți.

Alte exemple de convecție pot fi observate prin observarea unui astfel de fenomen natural ca mișcarea vântului. uscat incalzit peste continente și răcite pe teren cu condiții mai severe, fluxurile de aer începe să se deplaseze reciproc, ceea ce duce la mișcarea lor, iar mișcarea de umiditate și de energie.

La convecție, posibilitatea de a se deplasa cu păsări și planoare este legată. Mai puțin dens și mai cald masele de aer cu încălzire inegală la suprafața Pământului conduc la formarea de fluxuri ascendente, care contribuie la procesul de creștere. Pentru a depăși distanțele maxime fără consumul de energie și de energie, păsările au nevoie de capacitatea de a găsi fluxuri similare.

Exemple bune de convecție sunt formarea fumului în coșuri și cratere vulcanice. Mutarea fumului se face pe baza temperaturii mai ridicate și a densității scăzute în comparație cu mediul. Când se răcește, fumul se instalează treptat în straturile inferioare ale atmosferei. Din acest motiv, conductele industriale, prin care se produce eliberarea substanțe nocive în atmosferă, faceți cea mai mare posibilă.

Cele mai frecvente exemple de convecție în natură și tehnologie

Printre exemplele cele mai simple, ușor de înțeles care pot fi observate în natură, viață și tehnologie, trebuie notat:

• mișcarea curenților de aer în timpul funcționării radiatoarelor interne;
• formarea și mișcarea noroadelor;
• procesul de vânt, muson și briza;
• deplasarea plăcilor de pământ tectonic;
• procesele care conduc la generarea de gaz liber.

gătire

Din ce în ce mai mult, fenomenul de convecție se realizează în aparatele moderne de uz casnic, în special în cuptoare. Un dulap de gaz cu convecție permite gătit diferite feluri de mâncare simultan pe nivele separate la temperaturi diferite. În același timp, amestecul gusturilor și mirosurilor este complet exclus.

Încălzirea aerului într-un cuptor tradițional se bazează pe funcționarea unui singur arzător, ceea ce conduce la o distribuție inegală a căldurii. Datorită mișcării intenționate a fluxurilor de aer cald cu ajutorul unui ventilator specializat, vasele din cuptorul cu convecție sunt mult mai suculente, mai bine prăjite. Astfel de dispozitive se încălzesc rapid, ceea ce vă permite să reduceți timpul necesar gătitului.

Firește, pentru gospodinele care sunt gătite în cuptor doar de câteva ori pe an, un aparat de uz casnic cu funcție de convecție nu poate fi numit o tehnică de primă necesitate. Cu toate acestea, pentru cei care nu pot trăi fără experimente culinare, un astfel de dispozitiv va deveni pur și simplu de neînlocuit în bucătărie.

Sperăm că materialul prezentat a fost util pentru dvs. Toate cele bune!