Hvis du bringer din hånd tættere på en tændt elektrisk lampe eller placerer håndfladen over en varm komfur, kan du mærke bevægelsen af varme luftstrømme. Den samme effekt kan observeres, når et ark papir svinges over en åben ild. Begge effekter forklares ved konvektion.
Hvad er det?
Fænomenet konvektion er baseret på udvidelsen af et koldere stof i kontakt med varme masser. Under sådanne omstændigheder mister det opvarmede stof sin tæthed og bliver lettere i sammenligning med det kolde rum, der omgiver det. Mest præcist svarer denne egenskab ved fænomenet til bevægelsen af varmestrømme, når vandet opvarmes.
Molekylernes bevægelse i modsatte retninger under påvirkning af opvarmning er præcis, hvad konvektion er baseret på. Stråling og termisk ledningsevne er lignende processer, men de vedrører primært overførsel af termisk energi i faste stoffer.
Levende eksempler på konvektion - bevægelsen af varm luft midt i et rum med opvarmningapparater, når opvarmede strømme bevæger sig under loftet, og kold luft falder ned til selve overfladen af gulvet. Det er derfor, når opvarmningen er tændt, er luften i toppen af rummet mærkbart varmere sammenlignet med bunden af rummet.
Archimedes' lov og termisk udvidelse af fysiske legemer
For at forstå, hvad naturlig konvektion er, er det nok at overveje processen ved at bruge eksemplet med Archimedes-loven og fænomenet med udvidelse af legemer under påvirkning af termisk stråling. Så ifølge loven fører en stigning i temperaturen nødvendigvis til en stigning i væskevolumenet. Væsken, der opvarmes nedefra i beholderne, stiger højere, og henholdsvis fugt med højere densitet bevæger sig lavere. Ved opvarmning fra oven vil mere og mindre tætte væsker forblive på deres steder, i hvilket tilfælde fænomenet ikke opstår.
Konceptets fremkomst
Udtrykket "konvektion" blev først foreslået af den engelske videnskabsmand William Prout tilbage i 1834. Det blev brugt til at beskrive bevægelsen af termiske masser i opvarmede, bevægelige væsker.
De første teoretiske undersøgelser af fænomenet konvektion startede først i 1916. Under forsøgene har det vist sig, at overgangen fra diffusion til konvektion i væsker opvarmet nedefra sker, når visse kritiske temperaturværdier nås. Senere blev denne værdi defineret som "Roel-nummeret". Det var opkaldt efter den forsker, der studerede det. Resultaterne af eksperimenterne gjorde det muligt at forklare varmestrømmenes bevægelse under påvirkning af Archimedes kræfter.
Typer af konvektion
Der er flere typer af det fænomen, vi beskriver - naturlig og tvungen konvektion. Et eksempel på bevægelsen af varme og kolde luftstrømme i midten af et rum er den bedste måde at karakterisere processen med naturlig konvektion. Hvad angår forceret, kan det observeres, når væsken blandes med en ske, pumpe eller omrører.
Konvektion er umulig, når faste stoffer opvarmes. Dette skyldes den ret stærke gensidige tiltrækning under vibrationen af deres faste partikler. Som et resultat af opvarmning af faste strukturlegemer forekommer konvektion og stråling ikke. Termisk ledningsevne erstatter disse fænomener i sådanne legemer og bidrager til overførslen af termisk energi.
Den såkaldte kapillærkonvektion er en separat type. Processen opstår, når temperaturen ændres under væskens bevægelse gennem rørene. Under naturlige forhold er betydningen af en sådan konvektion, sammen med naturlig og tvungen konvektion, yderst ubetydelig. Inden for rumteknologi bliver kapillærkonvektion, stråling og varmeledningsevne af materialer imidlertid meget væsentlige faktorer. Selv de svageste konvektive bevægelser under vægtløse forhold gør det vanskeligt at gennemføre nogle tekniske opgaver.
Konvektion i lagene af jordskorpen
Konvektionsprocesser er uløseligt forbundet med den naturlige dannelse af gasformige stoffer i tykkelsen af jordskorpen. Kloden kan betragtes som en kugle bestående af flere koncentriske lag. Helt i midten er en massiv varm kerne, som er en flydende masse med høj densitet indeholdende jern,nikkel, såvel som andre metaller.
De omgivende lag for jordens kerne er litosfæren og den halvflydende kappe. Det øverste lag af kloden er direkte jordskorpen. Lithosfæren er dannet af individuelle plader, der er i fri bevægelse, og bevæger sig langs overfladen af den flydende kappe. I løbet af ujævn opvarmning af forskellige dele af kappen og klipperne, som adskiller sig i forskellig sammensætning og tæthed, dannes konvektive strømme. Det er under påvirkning af sådanne strømme, at den naturlige transformation af havbunden og bevægelsen af de bærende kontinenter finder sted.
Forskelle mellem konvektion og varmeledning
Termisk ledningsevne skal forstås som fysiske legems evne til at overføre varme gennem bevægelse af atomare og molekylære forbindelser. Metaller er fremragende varmeledere, da deres molekyler er i tæt kontakt med hinanden. Tværtimod virker gasformige og flygtige stoffer som dårlige varmeledere.
Hvordan sker konvektion? Processens fysik er baseret på overførsel af varme på grund af den frie bevægelse af massen af molekyler af stoffer. Til gengæld består termisk ledningsevne udelukkende i overførsel af energi mellem en fysisk krops partikler. Begge processer er imidlertid umulige uden tilstedeværelsen af stofpartikler.
Eksempler på fænomenet
Det enkleste og mest forståelige eksempel på konvektion er processen med et almindeligt køleskab. Cirkulationafkølet freongas gennem rørene i kølekammeret fører til et fald i temperaturen i de øvre luftlag. Som følge heraf bliver de afløst af varmere vandløb, og de kolde synker ned og afkøler således produkterne.
Risten på køleskabets bagpanel spiller rollen som et element, der letter fjernelse af varm luft dannet i enhedens kompressor under gaskompression. Netkøling er også baseret på konvektionsmekanismer. Det er af denne grund, at det ikke anbefales at rode op i rummet bag køleskabet. Når alt kommer til alt, kun i dette tilfælde kan afkøling ske uden problemer.
Andre eksempler på konvektion kan ses ved at observere et så naturligt fænomen som vindens bevægelse. Opvarmning over tørre kontinenter og afkøling over barskere terræn begynder luftstrømme at forskyde hinanden, hvilket får dem til at bevæge sig, såvel som til at flytte fugt og energi.
Muligheden for svævende fugle og svævefly er bundet til konvektion. Mindre tætte og varmere luftmasser med ujævn opvarmning nær jordens overflade fører til dannelsen af opstigende strømme, som bidrager til svæveprocessen. For at overkomme de maksimale afstande uden brug af styrke og energi har fugle brug for evnen til at finde sådanne vandløb.
Gode eksempler på konvektion er dannelsen af røg i skorstene og vulkankratere. Røgens opadgående bevægelse er baseret på dens højere temperatur og lavere tæthed sammenlignet med omgivelserne. Efterhånden som røgen afkøles, sætter den sig gradvist ned i de nederste lag af atmosfæren. Netop derforindustrirør, hvorigennem skadelige stoffer frigives til atmosfæren, er lavet så højt som muligt.
De mest almindelige eksempler på konvektion i naturen og teknologien
Blandt de enkleste, letforståelige eksempler, der kan observeres i naturen, hverdagen og teknologien, bør vi fremhæve:
- luftstrøm under drift af husholdningsvarmebatterier;
- dannelse og bevægelse af skyer;
- processen med bevægelse af vind, monsuner og briser;
- skift af tektoniske jordplader;
- processer, der fører til fri gasdannelse.
madlavning
Fænomenet konvektion realiseres i stigende grad i moderne husholdningsapparater, især i ovne. Gasskabet med konvektion giver dig mulighed for at tilberede forskellige retter på samme tid på separate niveauer ved forskellige temperaturer. Dette eliminerer fuldstændig blanding af smag og lugte.
Den traditionelle ovn er afhængig af en enkelt brænder til at opvarme luften, hvilket resulterer i ujævn varmefordeling. På grund af den målrettede bevægelse af varme luftstrømme ved hjælp af en specialiseret ventilator viser retter i en varmluftsovn sig at være saftigere og bedre bagt. Sådanne enheder opvarmes hurtigere, hvilket reducerer den tid, der kræves til madlavning.
For husmødre, der kun laver mad i ovnen et par gange om året, er et husholdningsapparat medKonvektionsfunktionen kan ikke kaldes en teknik af første nødvendighed. Men for dem, der ikke kan leve uden kulinariske eksperimenter, vil en sådan enhed simpelthen blive uundværlig i køkkenet.
Vi håber, at det præsenterede materiale var nyttigt for dig. Held og lykke!
