Dacă apropii mâna de o lampă electrică aprinsă sau îți așezi palma peste o sobă fierbinte, poți simți mișcarea curenților de aer cald. Același efect poate fi observat atunci când o coală de hârtie este oscilată peste o flacără deschisă. Ambele efecte sunt explicate prin convecție.
Ce este?
Fenomenul de convecție se bazează pe expansiunea unei substanțe mai reci în contact cu masele fierbinți. În astfel de circumstanțe, substanța încălzită își pierde densitatea și devine mai ușoară în comparație cu spațiul rece care o înconjoară. Cel mai exact, această caracteristică a fenomenului corespunde mișcării fluxurilor de căldură atunci când apa este încălzită.
Mișcarea moleculelor în direcții opuse sub influența încălzirii este exact pe care se bazează convecția. Radiația și conductibilitatea termică sunt procese similare, dar se referă în primul rând la transferul de energie termică în solide.
Exemple vii de convecție - mișcarea aerului cald în mijlocul unei încăperi cu încălzireaparatelor, atunci când fluxurile încălzite se deplasează sub tavan, iar aerul rece coboară chiar la suprafața podelei. De aceea, atunci când încălzirea este pornită, aerul din partea de sus a camerei este vizibil mai cald în comparație cu partea de jos a camerei.
Legea lui Arhimede și expansiunea termică a corpurilor fizice
Pentru a înțelege ce este convecția naturală, este suficient să luăm în considerare procesul folosind exemplul legii lui Arhimede și fenomenul de dilatare a corpurilor sub influența radiației termice. Deci, conform legii, o creștere a temperaturii duce în mod necesar la o creștere a volumului de lichid. Lichidul încălzit de jos în recipiente crește mai sus, iar umiditatea cu densitate mai mare, respectiv, se deplasează mai jos. În cazul încălzirii de sus, în locurile lor vor rămâne lichide mai multe și mai puțin dense, caz în care fenomenul nu se va produce.
Apariția conceptului
Termenul „convecție” a fost propus pentru prima dată de omul de știință englez William Prout în 1834. A fost folosit pentru a descrie mișcarea maselor termice în lichide încălzite, în mișcare.
Primele studii teoretice ale fenomenului de convecție au început abia în 1916. În timpul experimentelor, s-a constatat că trecerea de la difuzie la convecție în lichidele încălzite de jos are loc atunci când sunt atinse anumite valori critice de temperatură. Mai târziu, această valoare a fost definită ca „numărul Roel”. A fost numit astfel după cercetătorul care l-a studiat. Rezultatele experimentelor au făcut posibilă explicarea mișcării fluxurilor de căldură sub influența forțelor lui Arhimede.
Tipuri de convecție
Există mai multe tipuri de fenomenul pe care îl descriem - convecția naturală și forțată. Un exemplu de mișcare a fluxurilor de aer cald și rece în mijlocul unei încăperi este cel mai bun mod de a caracteriza procesul de convecție naturală. În ceea ce privește forțat, se poate observa la amestecarea lichidului cu o lingură, pompă sau agitator.
Convecția este imposibilă atunci când solidele sunt încălzite. Acest lucru se datorează atracției reciproce destul de puternice în timpul vibrației particulelor solide. Ca urmare a încălzirii corpurilor solide, convecția și radiația nu au loc. Conductivitatea termică înlocuiește aceste fenomene în astfel de corpuri și contribuie la transferul de energie termică.
Așa-numita convecție capilară este un tip separat. Procesul are loc atunci când temperatura se schimbă în timpul mișcării fluidului prin conducte. În condiții naturale, semnificația unei astfel de convecții, împreună cu convecția naturală și forțată, este extrem de nesemnificativă. Cu toate acestea, în tehnologia spațială, convecția capilară, radiația și conductibilitatea termică a materialelor devin factori foarte importanți. Chiar și cele mai slabe mișcări convective în condiții de lipsă de greutate fac dificilă implementarea unor sarcini tehnice.
Convecție în straturile scoarței terestre
Procesele de convecție sunt indisolubil legate de formarea naturală a substanțelor gazoase în grosimea scoarței terestre. Globul poate fi considerat ca o sferă formată din mai multe straturi concentrice. În centrul se află un miez masiv fierbinte, care este o masă lichidă de în altă densitate care conține fier,nichel, precum și alte metale.
Straturile înconjurătoare pentru miezul pământului sunt litosfera și mantaua semi-lichidă. Stratul superior al globului este direct scoarța terestră. Litosfera este formată din plăci individuale care se află în mișcare liberă, mișcându-se de-a lungul suprafeței mantalei lichide. În cursul încălzirii neuniforme a diferitelor părți ale mantalei și rocilor, care diferă în diferite compoziții și densități, se formează fluxuri convective. Sub influența unor astfel de fluxuri are loc transformarea naturală a fundului oceanului și mișcarea continentelor portante.
Diferențe între convecție și conducerea căldurii
Conductivitatea termică ar trebui înțeleasă ca fiind capacitatea corpurilor fizice de a transfera căldură prin mișcarea compușilor atomici și moleculari. Metalele sunt excelente conductoare de căldură, deoarece moleculele lor sunt în contact strâns unele cu altele. Dimpotrivă, substanțele gazoase și volatile acționează ca conductoare slabe de căldură.
Cum are loc convecția? Fizica procesului se bazează pe transferul de căldură datorită mișcării libere a masei moleculelor de substanțe. La rândul său, conductibilitatea termică constă numai în transferul de energie între particulele constitutive ale unui corp fizic. Cu toate acestea, ambele procese sunt imposibile fără prezența particulelor de materie.
Exemple de fenomen
Cel mai simplu și mai înțeles exemplu de convecție este procesul unui frigider obișnuit. Circulaţiegazul freon răcit prin conductele camerei frigorifice duce la scăderea temperaturii straturilor superioare de aer. În consecință, fiind înlocuite cu fluxuri mai calde, cele reci se scufundă, răcind astfel produsele.
Grătarul situat pe panoul din spate al frigiderului joacă rolul unui element care facilitează îndepărtarea aerului cald format în compresorul unității în timpul comprimării gazului. Răcirea prin grilă se bazează și 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 dificultate.
Alte exemple de convecție pot fi văzute observând un astfel de fenomen natural precum mișcarea vântului. Încălzindu-se peste continente aride și răcindu-se pe terenuri mai aspre, curenții de aer încep să se deplaseze unul pe celăl alt, făcându-i să se miște, precum și să mute umiditatea și energia.
Posibilitatea de a se înălța păsările și planoarele este legată de convecție. Masele de aer mai puțin dense și mai calde, cu încălzire neuniformă în apropierea suprafeței Pământului, duc la formarea de curenți ascendente, care contribuie la procesul de înălțare. Pentru a depăși distanțe maxime fără a cheltui putere și energie, păsările au nevoie de capacitatea de a găsi astfel de cursuri.
Exemple bune de convecție sunt formarea fumului în coșuri și cratere vulcanice. Mișcarea ascendentă a fumului se bazează pe temperatura sa mai mare și densitatea mai mică în comparație cu mediul înconjurător. Pe măsură ce fumul se răcește, se instalează treptat în straturile inferioare ale atmosferei. Tocmai din acest motivconductele industriale, prin care substanțele nocive sunt eliberate în atmosferă, sunt realizate cât mai sus posibil.
Cele mai frecvente exemple de convecție în natură și tehnologie
Dintre cele mai simple, ușor de înțeles exemple care pot fi observate în natură, viața de zi cu zi și tehnologie, ar trebui să evidențiem:
- flux de aer în timpul funcționării bateriilor de încălzire menajeră;
- formarea și mișcarea norilor;
- procesul de mișcare a vântului, a musonilor și a brizelor;
- schimbarea plăcilor tectonice de pământ;
- procese care duc la formarea de gaz liber.
Gătit
Din ce în ce mai mult, fenomenul de convecție se realizează în aparatele electrocasnice moderne, în special în cuptoare. Dulapul de gaz cu convecție vă permite să gătiți diferite feluri de mâncare în același timp pe niveluri separate la temperaturi diferite. Acest lucru elimină complet amestecul de gusturi și mirosuri.
Cuptorul tradițional se bazează pe un singur arzător pentru a încălzi aerul, rezultând o distribuție neuniformă a căldurii. Datorită mișcării intenționate a fluxurilor de aer cald cu ajutorul unui ventilator specializat, preparatele din cuptorul cu convecție se dovedesc a fi mai suculente și mai bine coapte. Astfel de dispozitive se încălzesc mai repede, ceea ce reduce timpul necesar pentru gătit.
Desigur, pentru gospodinele care gătesc la cuptor doar de câteva ori pe an, un aparat electrocasnic cufuncţia de convecţie nu poate fi numită 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 indispensabil în bucătărie.
Sperăm că materialul prezentat v-a fost de folos. Mult succes!
