КОНВЕКЦІЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИКЛАДИ, ДОДАТКИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Конвекції є одним з трьох механізмів , що тепло передається від однієї зони до іншої теплішою охолоджувач. Це відбувається через рух маси рідини, яка може бути рідиною або газом. У будь-якому випадку для цього механізму завжди потрібне матеріальне середовище.

Чим швидше рух рідини, про яку йде мова, тим швидше передається теплова енергія між зонами різної температури. Це відбувається постійно з атмосферними повітряними масами: плавучість забезпечує тепліші та менш щільні, а холодніші та щільніші спускаються.

Малюнок 1. Кімната охолоджується, відкриваючи двері, оскільки гаряче повітря (червона стрілка) і менш щільне піднімається і виходить з неї. Джерело: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Прикладом цього є закрите приміщення на зображенні, яке негайно охолоджується, як тільки двері чи вікна відкриваються, оскільки гаряче повітря зсередини витікає навіть через щілини, поступаючись місцем свіжому повітрі ззовні, яке залишається більше вниз.

Види конвекції

Природна і примусова конвекція

Малюнок 2. Приклади примусової конвекції та природної конвекції. Джерело: Cengel, Y. Термодинаміка.

Конвекція може бути природною або вимушеною. У першому випадку рідина рухається сама собою, як при відкриванні дверей у приміщення, тоді як у другому її примушує вентилятор або насос, наприклад.

Дифузія та адвекція

Також можуть бути два варіанти: дифузія та адвекція. При дифузії молекули рідини рухаються більш-менш випадковим чином і передача тепла відбувається повільно.

На відміну від адвекції рухається велика кількість рідинної маси, чого можна досягти, наприклад, примушуючи конвекцію вентилятором. Але перевага адвекції полягає в тому, що це набагато швидше, ніж дифузія.

¿

Проста математична модель конвективного теплопередачі - закон охолодження Ньютона. Розгляньте гарячу поверхню площі А, оточену більш прохолодним повітрям, щоб різниця в температурі мала.

Назвемо тепло, передане Q, і час t. Швидкість, з якою передається тепло, dQ / dt або походить від функції Q (t) по відношенню до часу.

Оскільки тепло - це теплова енергія, його одиницями в Міжнародній системі є джоулі (J), тому швидкість передачі відбувається в джоулях / секунду, що є ватт або ватт (Вт).

Ця швидкість прямо пропорційна різниці температур між гарячим об'єктом і середовищем, позначається як ΔT, а також до поверхні A об'єкта:

Константа пропорційності називається h, яка є коефіцієнтом тепловіддачі конвекцією і визначається експериментально. Його одиниці в Міжнародній системі (СІ) складають Вт / м ² . K, але прийнято знаходити його за градусами Цельсія або за Цельсієм.

Важливо зазначити, що цей коефіцієнт не є властивістю текучого середовища, оскільки він залежить від кількох змінних, таких як геометрія поверхні, швидкість руху рідини та інші характеристики.

Поєднуючи все вищесказане, математично закон охолодження Ньютона приймає таку форму:

Застосування закону охолодження Ньютона

Людина стоїть посеред кімнати 20 ° С, через яку дме легкий вітер. Яка швидкість тепла, яку людина передає в навколишнє середовище конвекцією? Припустимо, що площа відкритої поверхні становить 1,6 м ^2, а температура поверхні шкіри - 29 ºC.

Факт : коефіцієнт теплопередачі конвекції в цьому випадку становить 6 Вт / м ² . ºC

Рішення

Людина може передавати тепло повітря навколо них, оскільки воно знаходиться в русі, коли дме вітер. Щоб знайти швидкість передачі dQ / dt, просто підключіть значення до рівняння Ньютона для охолодження:

dQ / dt = 6 Вт / м ² . ºC x 1,6 м ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 Вт.

Приклади конвекції

Зігрійте руки над багаттям

Звичайно гріти руки, наближаючи їх до багаття або гарячого тостеру, оскільки повітря навколо джерела тепла в свою чергу нагрівається і розширюється, піднімаючись, оскільки він менш щільний. Під час циркуляції це гаряче повітря огортає і зігріває ваші руки.

Малюнок 3. Один зі способів зігріти руки - це струм конвекції, створений у повітрі вогнем. Джерело: Pxfuel.

Потік повітря на узбережжі

На узбережжі море холодніше суходолу, тому повітря над сушею нагрівається і піднімається, тоді як холодне повітря надходить і осідає у просторі, залишеному цим іншим при підйомі.

Це називається конвекційною осередком і є причиною, коли він відчуває себе прохолоднішим, коли дивиться в море, а вітер дує об обличчя у спекотний день. Вночі трапляється навпаки, прохолодний вітерець приходить із суші.

Кругообіг води

Природна конвекція відбувається у повітрі океанічних узбережжя через гідрологічний цикл, в якому вода нагрівається та випаровується завдяки сонячному випромінюванню. Водна пара, таким чином, утворюється піднімається, охолоджується і конденсується в хмари, маси яких збільшуються і піднімаються конвекцією.

Збільшуючи розмір крапель води, настає час, коли вода осідає у вигляді дощу, твердої або рідкої, залежно від температури.

Кип’ятити воду в ємності

Коли вода поміщається в чайник або каструлю, шари, найближчі до дна, нагріваються спочатку, оскільки полум'я або тепло від пальника є найближчим. Тоді вода розширюється і густина її зменшується, тому вона піднімається і холодна вода займає своє місце на дні ємності.

Малюнок 4. Нагрівання води конвекцією. Джерело: wikimedia Commons. Користувач: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Таким чином всі шари швидко циркулюють і все водоймище нагрівається. Це хороший приклад адвекції.

Генерація вітру

Конвекція у повітряних масах разом із обертальним рухом Землі породжує вітри, коли холодне повітря рухається та циркулює під гарячим повітрям, створюючи різні струми, звані конвекційними струмами.

Океанські течії

Вода поводиться аналогічно тому, як повітря в атмосфері. Теплі води майже завжди знаходяться біля поверхні, а прохолодні води - глибші.

Ефект динамо

Він виникає в розплавленому ядрі всередині планети, де він поєднується з обертальним рухом Землі, генеруючи електричні струми, що породжують магнітне поле Землі.

Передача енергії всередині зірок

Зірки, як Сонце, - це величезні сфери газу. Конвекція - це ефективний механізм транспортування енергії, оскільки газоподібні молекули мають достатню свободу для переміщення між областями внутрішніх зірок.

Застосування конвекції

кондиціонери

Кондиціонер розміщують біля стелі кімнат, щоб охолоджене повітря, яке щільніше, спускалося і охолоджувало ближче до підлоги.

Теплообмінники

Це пристрій, який дозволяє передавати тепло від однієї рідини до іншої і, наприклад, є принципом роботи кондиціонерів та механізмів охолодження автомобільного двигуна.

Теплоізолятори в будівлях

Вони виготовляються комбінуванням листів теплоізоляційного матеріалу і додаванням всередину бульбашок повітря.

градирні

Також називаються охолоджувальними вежами, вони служать для викиду тепла, виробленого атомними електростанціями, нафтопереробними заводами та іншими різними промисловими спорудами, замість землі чи води.

Список літератури

1. Giambattista, A. 2010. Фізика. 2-й. Ред. Макгров Хілл.
2. Гомес, Е. Проведення, конвекція та випромінювання. Відновлено з: eltamiz.com.
3. Натахенао. Теплові додатки. Відновлено з: natahenao.wordpress.com.
4. Сервей, Р. Фізика для науки та техніки. Том 1. 7-е. За ред.
5. Вікіпедія. Конвекція. Відновлено з: en.wikipedia.org.
6. Вікіпедія. Конвекційна терміка. Відновлено з: fr.wikipedia.org.