КОНВЕКЦИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИМЕРИ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В конвекция е един от трите механизма, че топлината се предава от една зона в друга топло охладител. Той се осъществява поради движението на масата на течност, която може да бъде течност или газ. Във всеки случай за този механизъм винаги е необходима материална среда.

Колкото по-бързо е движението на въпросната течност, толкова по-бърз е преносът на топлинна енергия между зони с различни температури. Това се случва непрекъснато с атмосферните въздушни маси: плаваемостта гарантира, че по-топлите и по-малко плътни се издигат, докато по-студените и по-плътните се спускат.

Фигура 1. Стаята се охлажда чрез отваряне на вратата, тъй като горещият въздух (червена стрелка) и по-малко плътно се издига и се измъква от нея. Източник: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Пример за това е затворената стая на изображението, която веднага се охлажда веднага щом се отворят вратите или прозорците, тъй като горещият въздух отвътре изтича дори през пукнатините, отстъпвайки на чистия въздух отвън, който остава повече надолу.

Видове конвекция

Естествена и принудителна конвекция

Фигура 2. Примери за принудителна конвекция и естествена конвекция. Източник: Cengel, Y. Thermodynamics.

Конвекцията може да бъде естествена или принудителна. В първия случай течността се движи сама, както при отваряне на вратата в стаята, докато във втория е принудена от вентилатор или помпа, например.

Дифузия и адвекция

Може да има и два варианта: дифузия и адвекция. При дифузия молекулите на течността се движат повече или по-малко произволно и предаването на топлина е бавно.

За разлика от това, адвекцията движи добро количество течна маса, което може да бъде постигнато например чрез принудителна конвекция с вентилатор. Предимството на адвекцията е, че тя е много по-бърза от дифузията.

¿

Един прост математически модел на конвективен топлопренос е законът за охлаждане на Нютон. Помислете за гореща повърхност от зона А, заобиколена от по-хладен въздух, така че разликата в температурата да е малка.

Нека наречем предаваната топлина Q и време t. Скоростта, с която се предава топлината, е dQ / dt или се извлича от функцията Q (t) по отношение на времето.

Тъй като топлината е топлинна енергия, нейните единици в Международната система са джаули (J), следователно скоростта на предаване идва в джоули / секунда, които са ват или ват (W).

Тази скорост е пряко пропорционална на разликата в температурата между горещия обект и средата, обозначена като ΔT, а също и на повърхността A на обекта:

Константата на пропорционалност се нарича h, което е коефициентът на топлопреминаване чрез конвекция и се определя експериментално. Неговите единици в Международната система (SI) са W / m ². К, но е обичайно да го открием по отношение на градуси по Целзий или по Целзий.

Важно е да се отбележи, че този коефициент не е свойство на флуида, тъй като зависи от няколко променливи, като геометрията на повърхността, скоростта на течността и други характеристики.

Комбинирайки всичко гореизброено, математически законът за охлаждане на Нютон приема тази форма:

Прилагане на закона за охлаждане на Нютон

Човек стои в стаята на 20 ° C, през който духа лек бриз. Каква е скоростта на топлината, която човек предава в околната среда чрез конвекция? Да приемем, че откритата повърхност е 1,6 m ^2, а повърхностната температура на кожата е 29 ºC.

Факт: коефициентът на топлопреминаване на конвекцията в този случай е 6 W / m ². ºC

Решение

Човекът може да предава топлина на въздуха около тях, тъй като е в движение, когато духа ветрецът. За да намерите скорост на прехвърляне dQ / dt, просто включете стойностите в уравнението на Нютон за охлаждане:

dQ / dt = 6 W / m ². ºC x 1.6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86.4 W.

Примери за конвекция

Затоплете ръцете си над лагерния огън

Обичайно е да затопляте ръцете си, като ги приближавате до огън или горещ тостер, тъй като въздухът около източника на топлина от своя страна се нагрява и разширява, издигайки се, защото е по-малко гъст. Докато циркулира, този горещ въздух обгръща и затопля ръцете ви.

Фигура 3. Един от начините да затоплите ръцете си е чрез конвекционния ток, създаден във въздуха от огъня. Източник: Pxfuel.

Въздушен поток на брега

На брега морето е по-студено от сушата, така че въздухът над сушата се загрява и издига, докато по-студеният въздух пристига и се настанява в пространството, оставено от този друг при изкачване.

Това се нарича конвекционна клетка и е причината да се чувства по-хладно, когато гледате към морето и ветрецът духа срещу лицето ви в горещ ден. През нощта се случва точно обратното, хладният ветрец идва от сушата.

Водният цикъл

Естествената конвекция се случва във въздуха на океанските брегове, чрез хидрологичния цикъл, в който водата се нагрява и изпарява благодарение на слънчевата радиация. Така образуваната водна пара се издига, охлажда и кондензира в облаци, чиито маси се увеличават и нарастват чрез конвекция.

С увеличаването на размера на водните капчици идва време, когато водата се утаява под формата на дъжд, твърда или течна, в зависимост от температурата.

Сварете вода в съд

Когато водата се постави в чайника или тенджера, най-близките до дъното слоеве се загряват първо, тъй като пламъкът или топлината от горелката са най-близо. Тогава водата се разширява и плътността й намалява, следователно тя се издига и по-студената вода заема мястото си на дъното на съда.

Фигура 4. Водно загряване чрез конвекция. Източник: wikimedia Commons. Потребител: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

По този начин всички слоеве циркулират бързо и цялото водно тяло се загрява. Това е добър пример за адвекция.

Генерация на вятър

Конвекцията във въздушните маси, заедно с въртящото се движение на земята, произвежда ветрове, докато студен въздух се движи и циркулира под горещия въздух, създавайки различни токове, наречени конвекционни токове.

Океански течения

Водата се държи по подобен начин като въздуха в атмосферата. По-топлите води почти винаги са близо до повърхността, докато по-хладните води са по-дълбоки.

Динамо ефект

Той се среща в разтопеното ядро ​​вътре в планетата, където се комбинира с въртеливото движение на Земята, генерирайки електрически токове, които пораждат магнитното поле на Земята.

Предаване на енергия вътре в звездите

Звезди като Слънцето са огромни сфери от газ. Конвекцията е ефикасен механизъм за транспортиране на енергия там, тъй като газообразните молекули имат достатъчна свобода да се движат между зоните от вътрешността на звездите.

Приложения на конвекция

климатици

Климатикът се поставя близо до тавана на помещенията, така че охладеният въздух, който е по-гъст, се спуска и охлажда по-близо до пода.

Топлообменници

Това е устройство, което позволява предаването на топлина от един флуид в друг и е принципът на работа на климатиците и охлаждащите механизми на автомобилния двигател, например.

Топлоизолатори в сгради

Те са направени чрез комбиниране на листове изолационен материал и добавяне на въздушни мехурчета вътре.

охладителни кули

Наричани още охладителни кули, те служат за изхвърляне на топлината, произведена от атомни централи, рафинерии и други различни промишлени съоръжения във въздуха, вместо в земята или във водата.

Препратки

1. Giambattista, A. 2010. Физика. 2-ри. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Провеждане, конвекция и излъчване. Възстановено от: eltamiz.com.
3. Natahenao. Приложения за топлина. Възстановени от: natahenao.wordpress.com.
4. Сервей, Р. Физика за наука и инженерство. Том 1. 7-ми. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Конвекция. Възстановено от: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Конвекционна термика. Възстановено от: fr.wikipedia.org.