Ако доближите ръката си до включена електрическа лампа или поставите дланта си над горещ котлон, можете да усетите движението на топъл въздушен поток. Същият ефект може да се наблюдава, когато лист хартия се движи над открит пламък. И двата ефекта се обясняват с конвекция.
Какво е?
Феноменът на конвекция се основава на разширяването на по-студено вещество в контакт с горещи маси. При такива обстоятелства нагрятото вещество губи своята плътност и става по-леко в сравнение със студеното пространство около него. Най-точно тази характеристика на явлението съответства на движението на топлинните потоци, когато водата се нагрява.
Движението на молекулите в противоположни посоки под въздействието на нагряване е точно това, на което се основава конвекцията. Излъчването и топлопроводимостта са сходни процеси, но се отнасят преди всичко за преноса на топлинна енергия в твърди тела.
Ярки примери за конвекция - движението на топъл въздух в средата на стая с отоплениеуреди, когато нагрятите потоци се движат под тавана, а студеният въздух се спуска до самата повърхност на пода. Ето защо, когато отоплението е включено, въздухът в горната част на стаята е забележимо по-топъл в сравнение с долната част на стаята.
Законът на Архимед и топлинното разширение на физическите тела
За да разберем какво е естествена конвекция, достатъчно е да разгледаме процеса, като използваме примера на закона на Архимед и явлението разширяване на телата под въздействието на топлинно излъчване. Така че, според закона, повишаването на температурата непременно води до увеличаване на обема на течността. Течността, нагрята отдолу в контейнерите, се издига по-високо, а влагата с по-висока плътност, съответно, се движи по-ниско. В случай на нагряване отгоре на местата им ще останат повече и по-малко плътни течности, в който случай явлението няма да настъпи.
Появата на концепцията
Терминът "конвекция" е предложен за първи път от английския учен Уилям Праут през 1834 г. Използва се за описание на движението на топлинни маси в нагрети, движещи се течности.
Първите теоретични изследвания на явлението конвекция започват едва през 1916 г. По време на експериментите беше установено, че преходът от дифузия към конвекция в течности, нагрявани отдолу, се случва при достигане на определени критични температурни стойности. По-късно тази стойност е дефинирана като "номер на Roel". Наречен е така на изследователя, който го е изследвал. Резултатите от експериментите позволиха да се обясни движението на топлинните потоци под въздействието на силите на Архимед.
Видове конвекция
Описваното от нас явление има няколко вида - естествена и принудителна конвекция. Пример за движението на потоци от горещ и студен въздух в средата на помещението е най-добрият начин да се характеризира процеса на естествена конвекция. Що се отнася до принудителното, то може да се наблюдава при смесване на течността с лъжица, помпа или бъркалка.
Конвекцията е невъзможна, когато твърдите вещества се нагряват. Това се дължи на доста силното взаимно привличане по време на вибрацията на техните твърди частици. В резултат на нагряване на твърди структурни тела не се появяват конвекция и излъчване. Топлопроводимостта замества тези явления в такива тела и допринася за преноса на топлинна енергия.
Така наречената капилярна конвекция е отделен вид. Процесът възниква, когато температурата се промени по време на движението на течността през тръбите. При естествени условия значението на такава конвекция, наред с естествената и принудителната конвекция, е изключително незначително. Въпреки това, в космическите технологии, капилярната конвекция, радиацията и топлопроводимостта на материалите стават много важни фактори. Дори и най-слабите конвективни движения в безтегловни условия затрудняват изпълнението на някои технически задачи.
Конвекция в слоевете на земната кора
Конвективните процеси са неразривно свързани с естественото образуване на газообразни вещества в дебелината на земната кора. Земното кълбо може да се разглежда като сфера, състояща се от няколко концентрични слоя. В самия център има масивно горещо ядро, което е течна маса с висока плътност, съдържаща желязо,никел, както и други метали.
Околните слоеве за земното ядро са литосферата и полутечната мантия. Най-горният слой на земното кълбо е директно земната кора. Литосферата се формира от отделни плочи, които са в свободно движение, движещи се по повърхността на течната мантия. При неравномерно нагряване на различни части от мантията и скалите, които се различават по различен състав и плътност, се образуват конвективни потоци. Именно под влиянието на такива потоци се случва естествената трансформация на океанското дъно и движението на носещите континенти.
Разлики между конвекция и топлопроводимост
Топлопроводимостта трябва да се разбира като способността на физическите тела да пренасят топлина чрез движението на атомни и молекулярни съединения. Металите са отлични проводници на топлина, тъй като техните молекули са в близък контакт една с друга. Напротив, газообразните и летливите вещества действат като лоши проводници на топлина.
Как се случва конвекцията? Физиката на процеса се основава на преноса на топлина поради свободното движение на масата на молекулите на веществата. От своя страна топлопроводимостта се състои единствено в преноса на енергия между съставните частици на физическо тяло. И двата процеса обаче са невъзможни без наличието на частици от материята.
Примери за явлението
Най-простият и разбираем пример за конвекция е процесът на обикновен хладилник. Циркулацияохладеният фреон през тръбите на хладилната камера води до понижаване на температурата на горните слоеве на въздуха. Съответно, заменяйки се с по-топли потоци, студените потъват, охлаждайки по този начин продуктите.
Решетката, разположена на задния панел на хладилника, играе ролята на елемент, който улеснява отстраняването на топъл въздух, образуван в компресора на агрегата при компресиране на газ. Охлаждането на мрежата също се основава на конвективни механизми. Именно поради тази причина не се препоръчва да се затрупва пространството зад хладилника. В крайна сметка, само в този случай охлаждането може да се случи без затруднения.
Други примери за конвекция могат да се видят, като се наблюдава такъв природен феномен като движението на вятъра. Затопляйки се над сухите континенти и охлаждайки над по-суров терен, въздушните течения започват да се изместват, карайки ги да се движат, както и да преместват влага и енергия.
Възможността за реещи се птици и планери е обвързана с конвекция. По-малко плътните и по-топли въздушни маси, с неравномерно нагряване в близост до земната повърхност, водят до образуването на възходящи течения, което допринася за процеса на реене. За да преодолеят максималните разстояния без изразходване на сила и енергия, птиците се нуждаят от способността да намират такива потоци.
Добри примери за конвекция са образуването на дим в комините и вулканичните кратери. Движението нагоре на дима се основава на неговата по-висока температура и по-ниска плътност в сравнение с околната среда. Докато димът се охлажда, той постепенно се утаява в долните слоеве на атмосферата. Точно поради тази причинапромишлените тръби, през които се изпускат вредни вещества в атмосферата, са направени възможно най-високо.
Най-често срещаните примери за конвекция в природата и технологиите
Сред най-простите, лесни за разбиране примери, които могат да се наблюдават в природата, ежедневието и технологиите, трябва да подчертаем:
- въздушен поток по време на работа на битови отоплителни батерии;
- образуване и движение на облаци;
- процесът на движение на вятъра, мусоните и бризовете;
- изместване на тектонските земни плочи;
- процеси, които водят до образуване на свободен газ.
Готвене
Все по-често явлението конвекция се реализира в съвременните домакински уреди, по-специално във фурните. Газовият шкаф с конвекция ви позволява да готвите различни ястия едновременно на отделни нива при различни температури. Това напълно елиминира смесването на вкусове и миризми.
Традиционната фурна разчита на една горелка за загряване на въздуха, което води до неравномерно разпределение на топлината. Благодарение на целенасоченото движение на потоците горещ въздух с помощта на специализиран вентилатор, ястията в конвекция се оказват по-сочни и по-добре изпечени. Такива устройства се нагряват по-бързо, което намалява времето, необходимо за готвене.
Разбира се, за домакини, които готвят във фурната само няколко пъти годишно, домакински уред сфункцията на конвекция не може да се нарече техника от първа необходимост. Въпреки това, за тези, които не могат да живеят без кулинарни експерименти, такова устройство ще стане просто незаменимо в кухнята.
Надяваме се, че представеният материал е бил полезен за вас. Успех!
