Феномен конвекције и примјери конвекције

Ако доведете руку ближе укљученој сијалици или ставите руку преко вруће плоче, можете осетити кретање топлег протицаја ваздуха. Исти ефекат се може посматрати и са замахом листа папира постављеног преко отвореног пламена. Оба ефекта се објашњавају конвекцијом.

Шта је то?

У срцу феномена конвекције лежи експанзија хладније супстанце када дође до контакта са врелим масама. У таквим околностима, загрејана супстанца губи густину и постаје лакша у односу на околни хладни простор. Тачније, ова карактеристика феномена одговара кретању топлотних флукса када се вода загрева.

Кретање молекула у супротним правцима под утицајем грејања је управо оно на чему заснована конвекција. Радијација, топлотна проводљивост су слични процеси, али се првенствено односе на пренос топлотне енергије у чврсте материје.

Невероватни примери конвекције су кретање топлег ваздуха у средини просторије са радијаторима, када се загрејани потоци крећу испод плафона, а хладни ваздух се спушта на саму површину пода. Због тога, када се грејање укључи на врху собе, ваздух је знатно топлији од доњег дела собе.

Архимедов закон и термална експанзија физичких тела

Да би се разумело шта је природна конвекција, довољно је размотрити овај процес примјером дјеловања Архимедовог закона и феномена експанзије тела под утицајем топлотног зрачења. Дакле, према закону, повећање температуре нужно доводи до повећања запремине течности. Текућа течност која се загрева одоздо у резервоарима се повећава, а влага веће густине, односно, помера се ниже. У случају грејања одозго, све више и мање густе течности ће остати на њиховим местима, у ком случају неће доћи до појаве.

Порекло концепта

Термин "конвекција" први је предложио енглески научник Виллиам Прут 1834. године. Коришћен је за описивање измјештања термалних маса у загрејаним, покретним течностима.

Прве теоријске студије феномена конвекције започеле су тек 1916. године. У току експеримената утврђено је да се прелазак са дифузије у конвекцију у течностима загрева одоздо, када се постигну одређене критичне вредности температуре. Касније је ова вриједност дефинисана као "Роел број". Тако је назван по истраживачу који га је проучавао. Резултати експеримената омогућили су да се објасни кретање топлотних флукса под утицајем сила Архимедеса.

Врсте конвекције

Постоји неколико типова феномена који су нам описани - природна и присилна конвекција. Пример кретања токова топлог и хладног ваздуха у средини собе је најбољи начин да се карактерише процес природне конвекције. Што се тиче присилног, може се посматрати и уз мешање течности са кашиком, пумпом или мешалицом.

Конвекција је немогућа са загревањем чврстих материја. Све је крива због јаке узајамне привлачности са вибрацијама њихових чврстих честица. Као резултат грејних тела чврсте конструкције, не дође до конвекције и зрачења. Термичка проводљивост замењује ове појаве у таквим тијелима и олакшава пренос топлотне енергије.

Такозвана капиларна конвекција је посебан тип. Постоји процес са падом температуре током протицаја течности кроз цеви. У природним условима, значај такве конвекције, заједно са природним и присилним, није битан. Међутим, у свемирској технологији, капиларна конвекција, зрачење и топлотна проводљивост материјала постају веома значајни фактори. Чак и најслабији конвективни кретања у условима безбједности доводе до потешкоћа у реализацији одређених техничких проблема.

Конвекција у слојевима земље

Процеси конвекције су нераскидиво повезани са природним формирањем гасних супстанци у дебљини земаљске корице. Размислите о глобусу као сфери која се састоји од неколико концентричних слојева. У центру је масивно топло језгро, што је течност масе високе густине са гвожђем, никлом и другим металима.

Околни слојеви за земаљско језгро су литосфера и полу-течност. Горњи слој глобуса је директно земаљска коре. Литосфера се формира од појединачних плоча, које су у слободном кретању, померају се дуж површине течног мантла. Током неуједначеног загревања различитих дијелова плоче и стена, које се разликују у различитом саставу и густини, формирају се конвективне струје. Под таквим токовима је под утицајем природне трансформације океанског пода и кретања континената са носиоцима.

Конвекција се разликује од топлотне проводљивости

Термичку проводљивост треба схватити као способност физичких тела за пренос топлоте кроз кретање атомских и молекуларних једињења. Метали су изврсни проводници топлоте, пошто су њихови молекули у неограниченом контакту једни с другима. Напротив, гасне и испарљиве супстанце дјелују као слаби топлотни проводници.

Како се јавља конвекција? Физика процеса темељи се на преносу топлоте услед слободног кретања масе молекула супстанци. Заузврат, топлотна проводљивост се састоји искључиво у преносу енергије између саставних честица физичког тела. Међутим, ни процес није могућ без присуства честица материје.

Примери феномена

Најједноставнији и најспособнији пример конвекције може бити процес рада обичног фрижидера. Тираж хладног Фреона гас кроз цеви хладњаче доводи до смањења температуре горњег слоја ваздуха. Сходно томе, заменом топлијих потокова, хладне падају, чиме се хладе производи.

Смештен на задњем панелу фрижидера, грил делује као елемент који олакшава уклањање топлог ваздуха генерисаног у компресору уређаја током компресије гаса. Хлађење на решетке такође се заснива на конвективним механизмима. Управо из тог разлога није препоручљиво да се простор који стоји иза фрижидера нереда. На крају крајева, само у овом случају хлађење може настати без потешкоћа.

Други примјери конвекције могу се приметити посматрајући такав природни феномен као кретање вјетра. Загревање на сушним континентима и хлађење на терену уз теже услове, ваздушни токови почињу да се измешу, што доводи до њиховог кретања, као и кретања влаге и енергије.

Могућност лебдећих птица и једрилица повезана је са конвекцијом. Мање густе и топлије ваздушне масе са неуједначеним загревањем на површини Земље доводе до стварања узлазних струја, што доприноси процесу пада. Да би превазишли максималне удаљености без трошења енергије и енергије, птицама је потребна могућност да пронађу такве токове.

Добри примери конвекције су формирање дима у димњачима и вулканским кратерима. Помицање дима заснива се на његовој већој температури и мањој густини у односу на околину. Када се хлађење, дим се постепено постара у доње слојеве атмосфере. Због тога се индустријске цеви, кроз које се штетне супстанце пуштају у атмосферу, чине највише могуће.

Најчешћи примјери конвекције у природи и технологији

Међу најједноставнијим и разумљивијим примјерима који се могу посматрати у природи, животу и технологији, треба напоменути:

• Кретање ваздушних струја током рада домаћих грејних батерија;
• Формирање и кретање облака;
• Процес кретања ветра, монсуна и ветрова;
• Замјена тектонских плоча за земљу;
• Процеси који доводе до слободног гашења.

Кување

Све чешће, феномен конвекције се реализује у савременим кућним апаратима, нарочито у пећницама. Гасни ормар са конвекцијом омогућава истовремено кухање различитих јела на различитим нивоима на различитим температурама. У исто време потпуно је искључено мешање укуса и мириса.

Загревање ваздуха у традиционалној пећници заснива се на раду једног горионика, што резултира неједнаком дистрибуцијом топлоте. Због сврсисходног кретања токова врућег ваздуха уз помоћ специјализованог вентилатора, посуде у конвекцијској пећници су више сочне, боље пјене. Такви уређаји брзо се загреју, што вам омогућава да смањите време потребно за кување.

Природно, за домаћице, које се кувају у пећници само неколико пута годишње, апарат за домаћинство са конвекционом функцијом не може се назвати техника прве потребе. Међутим, за оне који не могу да живе без кулинарских експеримената, такав уређај ће једноставно бити незамјењив у кухињи.

Надамо се да вам је представљени материјал био користан за вас. Све најбоље!