Феноменът на конвекцията и примери за конвекция

Ако приближите ръката си до включената крушка или поставите ръката си върху горещата плоча, можете да усетите движението на топъл въздушен поток. Същият ефект може да се наблюдава при люлеене на лист хартия, поставен върху открит пламък. И двата ефекта се обясняват с конвекция.

Какво е това?

В основата на феномена на конвекцията се крие разрастването на по-студено вещество, когато то влиза в контакт с горещи маси. При такива обстоятелства загрятата субстанция губи своята плътност и става по-лека в сравнение със заобикалящото студено пространство. Най-точно тази характеристика на явлението съответства на движението на топлинните потоци при нагряване на водата.

Движението на молекулите в противоположни посоки под влияние на нагряването е точно това, на което се основава конвекцията. Радиацията, топлопроводимостта са подобни процеси, но се отнасят главно до предаването топлинна енергия в твърди вещества.

Поразителните примери за конвекция са движението на топъл въздух в средата на помещението с радиатори, когато затоплящите се потоци се движат под тавана и студеният въздух се спуска към самата повърхност на пода. Ето защо, когато отоплението е включено в горната част на помещението, въздухът е значително по-топъл от долната част на помещението.

Законът на Архимед и термичното разширяване на физическите тела

За да разберем каква е естествената конвекция, достатъчно е процесът да бъде разгледан чрез примера на действието на закона на Архимед и феномена на разширяване на телата под влияние на топлинното излъчване. Така че, според закона, повишаването на температурата задължително води до увеличаване на обема на течността. Течността, загрята отдолу в резервоарите, се издига по-високо и влагата с по-голяма плътност, съответно, се движи по-ниско. В случай на нагряване от горе, все повече и по-малко гъсти течности ще останат на местата си, в който случай няма да има явление.

Появата на концепцията

Терминът "конвекция" беше предложен за първи път от английския учен Уилям Прут през 1834 г. Използва се за описване на изместването на топлинните маси в нагрявани, движещи се течности.

Първите теоретични изследвания на феномена конвекция започнаха едва през 1916 г. В хода на експериментите беше установено, че преходът от дифузия към конвекция в течности, нагряти отдолу, възниква, когато се достигнат определени критични температурни стойности. По-късно тази стойност е определена като "Роел номер". То е кръстено на името на изследователя, който го е изучавал. Резултатите от експериментите позволиха да се обясни движението на топлинните потоци под влияние на силите на Архимед.

Видове конвекция

Има няколко типа явления, описани от нас - естествена и принудена конвекция. Пример за придвижване на потоци горещ и студен въздух в средата на помещението е най-добрият начин за характеризиране на процеса на естествена конвекция. Що се отнася до принудителната, тя може да се наблюдава при смесване на течността с лъжица, помпа или бъркалка.

Конвекцията е невъзможна при нагряване на твърдите вещества. Всичко е виновен за силната взаимна привлекателност с вибрацията на твърдите частици. В резултат на нагряването на телата на твърда структура не се появяват конвекция и радиация. Термичната проводимост замества тези явления в такива тела и насърчава преноса на топлинна енергия.

Така наречената капилярна конвекция е отделен тип. Има процес с падане на температурата по време на протичането на течността през тръбите. Природните условия значението на тази конвекция, както и естественото и принудителното, са несъществени. Въпреки това, в космическата технология капилярната конвекция, радиацията и топлопроводимостта на материалите стават много важни фактори. Дори най-слабите конвективни движения в условията на безтегловност водят до трудности при осъществяването на определени технически проблеми.

Конвекция в слоевете на земната кора

Процесите на конвекция са неразривно свързани с естественото образуване на газообразни вещества в дебелината земната кора. помислете глобус това е възможно като сфера, състояща се от няколко концентрични слоя. В центъра има масивно горещо ядро, което е течна маса с висока плътност с желязо, никел и други метали.

Околните пластове за земното ядро изпъкват литосферата и полу-течният мантия. Горният слой на земното кълбо е пряко земната кора. Литосферата се формира от отделни пластини, които са в свободно движение, движещи се по повърхността на течния кожух. По време на неравномерното загряване на различни части на мантията и скалите, които се различават по различен състав и плътност, се образуват конвективни токове. Под въздействието на такива потоци е налице естествена трансформация на океанския под и движението на лагерните континенти.

Разлики в конвекцията от топлопроводимостта

Термичната проводимост трябва да се разбира като способността на физическите тела да прехвърлят топлината през движението на атомните и молекулните съединения. Металите са отлични проводници на топлината, тъй като техните молекули са в неразглобяем контакт един с друг. Напротив, газообразните и летливи вещества действат като лоши топлинни проводници.

Как протича конвекцията? Физиката на процеса се основава на предаването на топлина, дължащо се на свободното движение на масата на молекулите на веществата. От своя страна топлопроводимостта се състои единствено в трансфера на енергия между съставните частици на физическото тяло. Обаче и двата процеса са невъзможни без наличието на частици от материята.

Примери за това явление

Най-простият и най-достъпен пример за конвекция може да бъде процесът на работа на обикновен хладилник. Циркулацията на хладилния фреон газ през тръбите на хладилната камера води до намаляване на температурата на горните слоеве на въздуха. Съответно, замествайки по-топлите потоци, студените падат, като по този начин охлаждат продуктите.

Намира се на задния панел на хладилника, грилът действа като елемент, който улеснява отстраняването на топъл въздух, образуван в компресора на уреда по време на компресиране на газ. Охлаждането на решетките също се основава на конвективни механизми. Поради тази причина не се препоръчва да затрупвате пространството зад хладилника. В крайна сметка само в този случай охлаждането може да се осъществи без затруднения.

Други примери за конвекция могат да се видят чрез наблюдаването на такъв природен феномен като движението на вятъра. Отопляем изсушава се през континенти и се охлажда над терена с по-тежки условия, въздушни потоци започват да се изместват един от друг, което води до тяхното движение и движението на влага и енергия.

При конвекция, възможността за плъзгане на птици и планери е свързана. По-малко плътни и по-топли въздушни маси с неравномерно нагряване на повърхността на Земята водят до образуването на възходящи потоци, което допринася за процеса на покачване. За да се преодолеят максималните разстояния без изразходването на енергия и енергия, птиците се нуждаят от способността да намират подобни потоци.

Добри примери за конвекция са образуването на дим в комини и вулканични кратери. Преместването на дима се основава на по-високата му температура и по-ниската му плътност в сравнение с околната среда. При охлаждане димът постепенно се утаява в долните слоеве на атмосферата. Поради тази причина индустриалните тръби, през които се извършва освобождаването вредни вещества в атмосферата, направете възможно най-високата.

Най-често срещаните примери за конвекция в природата и технологията

Сред най-простите, разбираеми примери, които могат да бъдат наблюдавани в природата, живота и технологията, трябва да се отбележи:

• движението на въздушни течения по време на експлоатация на битови радиатори;
• формиране и движение на облаците;
• процесът на вятър, мусон и бриз;
• изместване на плочи от тектонска пръст;
• процеси, които водят до генериране на свободен газ.

готварски

Все по-често феноменът на конвекцията се реализира в съвременните битови уреди, особено в печките. Газовият шкаф с конвекция позволява готвене на различни съдове едновременно на отделни нива при различни температури. В същото време смесването на вкус и мирис е напълно изключено.

Отоплението на въздуха в традиционната фурна се основава на работата на една горелка, което води до неравномерно разпределение на топлината. Благодарение на целенасоченото движение на горещите въздушни потоци с помощта на специализиран вентилатор, съдовете в конвекционната фурна са по-сочни, по-добре печени. Такива устройства бързо се загряват, което ви позволява да намалите времето, необходимо за готвене.

Естествено, за домакините, които се готвят във фурната само няколко пъти в годината, домакински уред с конвекционна функция не може да се нарече техника на първа необходимост. Но за тези, които не могат да живеят без кулинарни експерименти, такова устройство ще стане просто незаменима в кухнята.

Надяваме се, че представеният материал е полезен за вас. Всичко най-хубаво!