Hvis du fører hånden nærmere en påslått elektrisk lampe eller plasserer håndflaten over en varm komfyr, kan du føle bevegelsen av varme luftstrømmer. Den samme effekten kan observeres når et papirark svinges over en åpen flamme. Begge effektene er forklart av konveksjon.
Hva er det?
Fenomenet konveksjon er basert på utvidelse av et kaldere stoff i kontakt med varme masser. Under slike omstendigheter mister det oppvarmede stoffet sin tetthet og blir lettere sammenlignet med det kalde rommet som omgir det. Mest nøyaktig tilsvarer denne egenskapen ved fenomenet bevegelsen av varmestrømmer når vann varmes opp.
Bevegelsen av molekyler i motsatte retninger under påvirkning av oppvarming er akkurat det konveksjon er basert på. Stråling og termisk ledningsevne er lignende prosesser, men de dreier seg først og fremst om overføring av termisk energi i faste stoffer.
Levende eksempler på konveksjon - bevegelse av varm luft midt i et rom med oppvarmingapparater, når oppvarmede bekker beveger seg under taket, og kald luft kommer ned til selve overflaten av gulvet. Det er derfor, når oppvarmingen er på, er luften øverst i rommet merkbart varmere sammenlignet med bunnen av rommet.
Archimedes' lov og termisk ekspansjon av fysiske legemer
For å forstå hva naturlig konveksjon er, er det nok å vurdere prosessen ved å bruke eksemplet med Arkimedes-loven og fenomenet ekspansjon av kropper under påvirkning av termisk stråling. Så ifølge loven fører en økning i temperaturen nødvendigvis til en økning i væskevolumet. Væsken oppvarmet nedenfra i beholderne stiger høyere, og fuktighet med høyere tetthet, henholdsvis, beveger seg lavere. Ved oppvarming ovenfra vil mer og mindre tette væsker forbli på plassene, i så fall vil fenomenet ikke oppstå.
fremveksten av konseptet
Begrepet "konveksjon" ble først foreslått av den engelske forskeren William Prout tilbake i 1834. Den ble brukt til å beskrive bevegelsen av termiske masser i oppvarmede, bevegelige væsker.
De første teoretiske studiene av fenomenet konveksjon startet først i 1916. Under forsøkene ble det funnet at overgangen fra diffusjon til konveksjon i væsker oppvarmet nedenfra skjer når visse kritiske temperaturverdier nås. Senere ble denne verdien definert som "Roel-nummeret". Den ble oppk alt etter forskeren som studerte den. Resultatene av eksperimentene gjorde det mulig å forklare bevegelsen av varmestrømmer under påvirkning av kreftene til Arkimedes.
Typer konveksjon
Det finnes flere typer av fenomenet vi beskriver - naturlig og tvungen konveksjon. Et eksempel på bevegelse av varme og kalde luftstrømmer i midten av et rom er den beste måten å karakterisere prosessen med naturlig konveksjon. Når det gjelder tvang, kan det observeres når væsken blandes med en skje, pumpe eller røreverk.
Konveksjon er umulig når faste stoffer varmes opp. Dette skyldes den ganske sterke gjensidige tiltrekningen under vibrasjonen av deres faste partikler. Som et resultat av oppvarming av faste strukturlegemer oppstår ikke konveksjon og stråling. Termisk ledningsevne erstatter disse fenomenene i slike legemer og bidrar til overføring av termisk energi.
Den såk alte kapillærkonveksjonen er en egen type. Prosessen skjer når temperaturen endres under bevegelsen av væske gjennom rørene. Under naturlige forhold er betydningen av slik konveksjon, sammen med naturlig og tvungen konveksjon, ekstremt ubetydelig. I romteknologi blir imidlertid kapillærkonveksjon, stråling og varmeledningsevne av materialer svært viktige faktorer. Selv de svakeste konveksjonsbevegelsene under vektløse forhold gjør det vanskelig å gjennomføre noen tekniske oppgaver.
Konveksjon i lagene av jordskorpen
Konveksjonsprosesser er uløselig knyttet til den naturlige dannelsen av gassformige stoffer i tykkelsen av jordskorpen. Kloden kan betraktes som en kule som består av flere konsentriske lag. Helt i sentrum er en massiv varm kjerne, som er en flytende masse med høy tetthet som inneholder jern,nikkel, så vel som andre metaller.
De omkringliggende lagene for jordens kjerne er litosfæren og den halvflytende mantelen. Det øverste laget av kloden er direkte jordskorpen. Litosfæren er dannet av individuelle plater som er i fri bevegelse, og beveger seg langs overflaten av væskemantelen. I løpet av ujevn oppvarming av ulike deler av mantelen og bergarter, som er forskjellige i forskjellig sammensetning og tetthet, dannes konveksjonsstrømmer. Det er under påvirkning av slike strømmer at den naturlige transformasjonen av havbunnen og bevegelsen til de bærende kontinentene skjer.
Forskjeller mellom konveksjon og varmeledning
Termisk ledningsevne skal forstås som fysiske legemers evne til å overføre varme gjennom bevegelse av atomære og molekylære forbindelser. Metaller er utmerkede varmeledere, da molekylene deres er i nær kontakt med hverandre. Tvert imot, gassformige og flyktige stoffer fungerer som dårlige varmeledere.
Hvordan skjer konveksjon? Fysikken til prosessen er basert på overføring av varme på grunn av fri bevegelse av massen av molekyler av stoffer. På sin side består termisk ledningsevne utelukkende i overføring av energi mellom bestanddelene i en fysisk kropp. Begge prosessene er imidlertid umulige uten tilstedeværelsen av materiepartikler.
Eksempler på fenomenet
Det enkleste og mest forståelige eksemplet på konveksjon er prosessen med et vanlig kjøleskap. Sirkulasjonavkjølt freongass gjennom rørene til kjølekammeret fører til en reduksjon i temperaturen til de øvre luftlagene. Når de blir erstattet av varmere bekker, synker kalde bekker ned og avkjøler dermed produktene.
Risten på bakpanelet til kjøleskapet spiller rollen som et element som letter fjerningen av varm luft som dannes i kompressoren til enheten under gasskompresjon. Nettkjøling er også basert på konveksjonsmekanismer. Det er av denne grunn at det ikke anbefales å rote til plassen bak kjøleskapet. Tross alt, bare i dette tilfellet kan avkjøling skje uten problemer.
Andre eksempler på konveksjon kan sees ved å observere et slikt naturfenomen som vindens bevegelse. Oppvarming over tørre kontinenter og avkjøling over tøffere terreng begynner luftstrømmene å fortrenge hverandre, noe som får dem til å bevege seg, i tillegg til å flytte fuktighet og energi.
Muligheten for svevende fugler og seilfly er knyttet til konveksjon. Mindre tette og varmere luftmasser, med ujevn oppvarming nær jordoverflaten, fører til dannelsen av stigende strømmer, noe som bidrar til sveveprosessen. For å overvinne de maksimale avstandene uten å bruke krefter og energi, trenger fugler evnen til å finne slike bekker.
Gode eksempler på konveksjon er dannelse av røyk i skorsteiner og vulkankratere. Den oppadgående bevegelsen av røyk er basert på dens høyere temperatur og lavere tetthet sammenlignet med omgivelsene. Når røyken avkjøles, legger den seg gradvis ned i de nedre lagene av atmosfæren. Nettopp derforindustrirør, hvorigjennom skadelige stoffer slippes ut i atmosfæren, er laget så høyt som mulig.
De vanligste eksemplene på konveksjon i natur og teknologi
Blant de enkleste, lettfattelige eksemplene som kan observeres i naturen, hverdagen og teknologien, bør vi fremheve:
- luftstrøm under drift av husholdningsvarmebatterier;
- dannelse og bevegelse av skyer;
- prosessen med bevegelse av vind, monsuner og bris;
- skifte av tektoniske jordplater;
- prosesser som fører til fri gassdannelse.
Matlaging
Fenomenet med konveksjon realiseres i økende grad i moderne husholdningsapparater, spesielt i ovner. Gassskapet med konveksjon lar deg lage forskjellige retter samtidig på separate nivåer ved forskjellige temperaturer. Dette eliminerer fullstendig blanding av smaker og lukter.
Den tradisjonelle ovnen er avhengig av en enkelt brenner for å varme opp luften, noe som resulterer i ujevn varmefordeling. På grunn av den målrettede bevegelsen av varme luftstrømmer ved hjelp av en spesialisert vifte, viser retter i en varmluftsovn seg å være saftigere og bedre bakt. Slike enheter varmes opp raskere, noe som reduserer tiden som kreves for matlaging.
Selvfølgelig, for husmødre som bare lager mat i ovnen noen få ganger i året, et husholdningsapparat medfunksjonen til konveksjon kan ikke kalles en teknikk av første nødvendighet. Men for de som ikke kan leve uten kulinariske eksperimenter, vil en slik enhet ganske enkelt bli uunnværlig på kjøkkenet.
Vi håper at materialet som ble presentert var nyttig for deg. Lykke til!
