Явище конвекції і приклади конвекції

Якщо наблизити руку до включеної електролампи або помістити долоню над гарячою плитою, можна відчути рух теплих потоків повітря. Той же ефект можна спостерігати при коливанні аркуша паперу, поміщеного над відкритим полум`ям. Обидва ефекти пояснюються конвекцією.

Що являє собою?

В основі явища конвекції лежить розширення більш холодного речовини при зіткненні з гарячими масами. В таких обставинах нагреваемое речовина втрачає щільність і стає легше в порівнянні з навколишнім його холодним простором. Найбільш точно дана характеристика явища відповідає переміщенню теплових потоків при нагріванні води.

Рух молекул в протилежних напрямках під впливом нагрівання - це саме те, на чому ґрунтується конвекція. Випромінювання, теплопровідність виступають схожими процесами, однак стосуються насамперед передачі теплової енергії у твердих тілах.

Яскраві приклади конвекції - переміщення теплого повітря в середині приміщення з опалювальними приладами, коли нагріті потоки рухаються під стелю, а холодне повітря опускається до самої поверхні підлоги. Саме тому при включеному опаленні вгорі кімнати повітря помітно тепліше в порівнянні з нижньою частиною приміщення.

Закон Архімеда і теплове розширення фізичних тіл

Щоб зрозуміти, що являє собою природна конвекція, досить розглянути процес на прикладі дії закону Архімеда і явища розширення тіл під впливом теплового випромінювання. Так, відповідно до закону, підвищення температури обов`язково призводить до збільшення об`ємів рідини. Нагреваемая знизу рідина в ємностях піднімається вище, а волога більшої щільності, відповідно, переміщується нижче. У разі нагрівання зверху більш і менш щільні рідини залишаться на своїх місцях, в такому випадку явища не відбудеться.

Виникнення поняття

Вперше термін «конвекція» був запропонований англійським вченим Вільямом Прутом ще в 1834 році. Використовувався він для опису переміщення теплових мас в нагрітих, що рухаються рідинах.

Перші теоретичні дослідження явища конвекції стартували лише в 1916 році. У ході експериментів було встановлено, що перехід від дифузії до конвекції в підігріваються знизу рідинах виникає при досягненні деяких критичних температурних значень. Пізніше це значення набуло визначення «число Роеля». Воно було так названо на честь дослідника, який займався його вивченням. Результати дослідів дозволили дати пояснення переміщенню теплових потоків під впливом сил Архімеда.

Види конвекції

Існує кілька видів описуваного нами явища - природна і вимушена конвекція. Приклад переміщення потоків гарячого та холодного повітря в середині приміщення якнайкраще характеризує процес природної конвекції. Що стосується вимушеної, то її можна спостерігати при перемішуванні рідини ложкою, насосом або мішалкою.

Конвекція неможлива при нагріванні твердих тіл. Всьому виною досить сильне взаємне тяжіння при коливанні їх твердих частинок. В результаті нагрівання тіл твердої структури не виникають конвекція, випромінювання. Теплопровідність замінює зазначені явища в таких тілах і сприяє передачі теплової енергії.

Окремим видом виступає так звана капілярна конвекція. Відбувається процес при перепадах температури під час руху рідини по трубах. У природних умовах значення такої конвекції поряд з природною і вимушеної вкрай несуттєво. Однак в космічній техніці капілярна конвекція, випромінювання і теплопровідність матеріалів стають вельми значущими факторами. Навіть найслабші конвективні руху в умовах невагомості призводять до утруднення реалізації деяких технічних завдань.

Конвекція в шарах земної кори

Процеси конвекції нерозривно пов`язані з природним утворенням газоподібних речовин в товщі земної кори. Розглядати земну кулю можна як сферу, що складається з декількох концентричних шарів. У самому центрі розташовується масивне гаряче ядро, яке являє собою рідку масу високої щільності з вмістом заліза, нікелю, а також інших металів.

Оточуючими шарами для земного ядра виступають літосфера і напіврідка мантія. Верхній шар земної кулі являє собою безпосередньо земну кору. Літосфера сформована з окремих плит, які знаходяться у вільному русі, переміщаючись по поверхні рідкої мантії. У ході нерівномірного нагрівання різних ділянок мантії і гірських порід, які відрізняються різним складом і щільністю, відбувається утворення конвективних потоків. Саме під впливом таких потоків виникає природне перетворення ложа океанів і переміщення несучих континентів.

Відмінності конвекції від теплопровідності

Під теплопровідністю слід розуміти здатність фізичних тіл до передачі тепла за допомогою руху атомних і молекулярних сполук. Метали виступають відмінними провідниками тепла, так як їх молекули перебувають у нерозривній контакті один з одним. Навпаки, газоподібні і леткі речовини виступають поганими провідниками тепла.

Як відбувається конвекція? Фізика процесу ґрунтується на перенесенні тепла за рахунок вільного руху маси молекул речовин. У свою чергу, теплопровідність полягає виключно у передачі енергії між складовими частинками фізичного тіла. Однак і той, і інший процес неможливий без наявності частинок речовини.

Приклади явища

Найбільш простим і доступним для розуміння прикладом конвекції може послужити процес роботи звичайного холодильника. Циркуляція охолодженого газу фреону по трубах холодильної камери призводить до зниження температури верхніх шарів повітря. Відповідно, заміщаючи більш теплими потоками, холодні опускаються вниз, охолоджуючи, таким чином, продукти.

Розташована на тильній панелі холодильника решітка грає роль елемента, що сприяє відведенню теплого повітря, утвореного в компресорі агрегату під час стиснення газу. Охолодження решітки також ґрунтується на конвективних механізмах. Саме з цієї причини не рекомендується захаращувати простір позаду холодильника. Адже тільки в такому випадку охолодження може відбуватися без утруднень.

Інші приклади конвекції можна помітити, спостерігаючи за таким природним явищем, як рух вітру. Нагріваючись над посушливими континентами і охолоджуючись над місцевістю з більш суворими умовами, потоки повітря починають витісняти один одного, що призводить до їхнього руху, а також переміщенню вологи і енергії.

На конвекції зав`язана можливість ширяння птахів і планерів. Менш щільні і більш теплі повітряні маси при нерівномірному нагріванні біля поверхні Землі призводять до утворення висхідних потоків, що сприяє процесу ширяння. Для подолання максимальних відстаней без витрати сил і енергії птахам потрібне вміння знаходити подібні потоки.

Гарні приклади конвекції - утворення диму в димоходах і вулканічних кратерах. Переміщення диму вгору засноване на його більш високій температурі і низькій щільності в порівнянні з навколишнім середовищем. При охолодженні дим поступово осідає в нижні шари атмосфери. Саме з цієї причини промислові труби, за допомогою яких відбувається викид шкідливих речовин в атмосферу, роблять максимально високими.

Найбільш поширені приклади конвекції в природі і техніці

Серед найбільш простих, доступних для розуміння прикладів, які можна спостерігати в природі, побуті і техніці, слід виділити:

• рух повітряних потоків під час роботи побутових батарей опалення;
• освіта та рух облаков;
• процес руху вітру, мусонів і брізов;
• зсув тектонічних земних плит;
• процеси, які призводять до вільного газоутворення.

Приготування їжі

Все частіше явище конвекції реалізується в сучасних побутових приладах, зокрема в духових шафах. Газовий шафа з конвекцією дозволяє готувати різні страви одночасно на окремих рівнях при різній температурі. При цьому повністю виключається змішання смаків і запахів.

Нагрівання повітря в традиційному духовій шафі грунтується на роботі єдиною пальника, що призводить до нерівномірного розподілу тепла. За рахунок цілеспрямованого переміщення гарячих потоків повітря за допомогою спеціалізованого вентилятора страви в конвекційному духовій шафі виходять більш соковитими, краще пропікаються. Такі пристрої швидше нагріваються, що дозволяє зменшити час, необхідний на приготування їжі.

Природно, для господинь, які готують в духовій шафі всього лише кілька разів на рік, побутовий прилад з функцією конвекції не можна назвати технікою першої необхідності. Однак для тих, хто не може жити без кулінарних експериментів, такий пристрій стане просто незамінним на кухні.

Сподіваємося, представлений матеріал виявився корисним для вас. Всього найкращого!