KONVEKCIJA: RAKSTURLIELUMI, PIEMĒRI, PIELIETOJUMS - FIZISKĀ - 2025

Konvekcijas ir viens no trim mehānismiem ka siltums tiek nodota no vienas zonas uz citu siltāku dzesētāju. Tas notiek šķidruma masas kustības dēļ, kas var būt šķidrums vai gāze. Jebkurā gadījumā šī mehānisma darbībai vienmēr ir nepieciešama materiāla vide.

Jo ātrāka ir attiecīgā šķidruma kustība, jo ātrāk notiek siltumenerģijas pārnešana starp dažādu temperatūru zonām. Tas notiek nepārtraukti ar atmosfēras gaisa masām: peldspēja nodrošina, ka siltāki un mazāk blīvi aug, kamēr aukstāki un blīvāki nolaižas.

1. attēls. Istabu atdzesē, atverot durvis, jo karstais gaiss (sarkanā bultiņa) un mazāk blīvs paceļas un izplūst no tā. Avots: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Tā piemērs ir slēgtā telpa attēlā, kuru tūlīt atdzesē, tiklīdz tiek atvērtas durvis vai logi, jo karstais gaiss no iekšpuses izplūst pat caur plaisām, dodot ceļu svaigam gaisam no ārpuses, kas paliek vairāk uz leju.

Konvekcijas veidi

Dabiska un piespiedu konvekcija

2. attēls. Piespiedu konvekcijas un dabiskās konvekcijas piemēri. Avots: Cengel, Y. Termodinamika.

Konvekcija var būt dabiska vai piespiedu. Pirmajā gadījumā šķidrums pārvietojas pats par sevi, tāpat kā, atverot telpas durvis, savukārt otrajā gadījumā, piemēram, to piespiež ventilators vai sūknis.

Izkliede un advekcija

Var būt arī divi varianti: difūzija un advekcija. Difūzijā šķidruma molekulas vairāk vai mazāk pārvietojas nejauši, un siltuma pārnešana notiek lēni.

Pretstatā advekcija pārvieto lielu daudzumu šķidruma masas, ko var sasniegt, piemēram, piespiežot konvekciju ar ventilatoru. Bet advekcijas priekšrocība ir tā, ka tā ir daudz ātrāka nekā difūzija.

¿

Konvekcijas siltuma pārneses vienkāršs matemātiskais modelis ir Ņūtona dzesēšanas likums. Apsveriet A zonas karstu virsmu, ko ieskauj vēsāks gaiss, lai temperatūras starpība būtu maza.

Sauksim nodoto siltumu Q un laiku t. Siltuma pārneses ātrums ir dQ / dt vai ir atvasināts no funkcijas Q (t) attiecībā pret laiku.

Tā kā siltums ir siltumenerģija, tā vienības Starptautiskajā sistēmā ir džoulos (J), tāpēc pārneses ātrums nāk džoulos sekundē, kas ir vati vai vati (W).

Šis ātrums ir tieši proporcionāls karstā objekta un barotnes temperatūras starpībai, ko apzīmē ar ΔT, kā arī objekta virsmas laukumam A:

Proporcionalitātes konstante tiek saukta par h, kas ir siltuma pārneses koeficients ar konvekciju un tiek noteikts eksperimentāli. Tās vienības Starptautiskajā sistēmā (SI) ir W / m ² . K, bet to parasti mēra pēc grādiem pēc Celsija vai pēc Celsija.

Ir svarīgi atzīmēt, ka šis koeficients nav šķidruma īpašība, jo tas ir atkarīgs no vairākiem mainīgiem lielumiem, piemēram, no virsmas ģeometrijas, šķidruma ātruma un citām īpašībām.

Apvienojot visu iepriekš minēto, matemātiski Ņūtona dzesēšanas likums izpaužas šādi:

Ņūtona dzesēšanas likuma piemērošana

Cilvēks stāv istabas vidū 20 ° C temperatūrā, caur kuru pūš neliela vējš. Cik liels ir siltuma daudzums, ko cilvēks konvekcijas ceļā izdala vidē? Pieņemsim, ka atklātās virsmas laukums ir 1,6 m ² un ādas virsmas temperatūra ir 29 ºC.

Fakts : konvekcijas siltuma caurlaidības koeficients šajā gadījumā ir 6 W / m ² . ºC

Risinājums

Cilvēks var pārvadīt siltumu gaisā ap viņiem, jo, kad pūš brīze, tas kustas. Lai atrastu pārsūtīšanas ātrumu dQ / dt, vienkārši pievienojiet vērtības Ņūtona vienādojumam dzesēšanai:

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

Konvekcijas piemēri

Silda rokas virs ugunskura

Parasti tiek sildītas rokas, nogādājot tās pie ugunskura vai karsta tostera, jo gaiss, kas apņem siltuma avotu, savukārt sakarst un izplešas, paaugstinoties, jo tas ir mazāk blīvs. Cirkulējot, karstais gaiss apņem un sasilda rokas.

3. attēls. Viens veids, kā sasildīt rokas, ir caur konvekcijas strāvu, ko gaisā rada uguns. Avots: Pxfuel.

Gaisa plūsma piekrastē

Piekrastē jūra ir aukstāka nekā sauszeme, tāpēc gaiss virs zemes sasilst un paceļas, savukārt aukstāks gaiss ierodas un apmetas telpā, ko atstāj šis otrs, paceļoties.

To sauc par konvekcijas elementu, un tas ir iemesls, kāpēc jūtas vēsāks, skatoties jūrā, un vēsma karstā dienā pūš pret jūsu seju. Naktīs notiek pretēji, vēsā vēsma nāk no zemes.

Ūdens cikls

Dabiska konvekcija notiek okeāna piekrastes gaisā caur hidroloģisko ciklu, kurā ūdens tiek sildīts un iztvaicēts, pateicoties saules starojumam. Šādi izveidoti ūdens tvaiki paceļas, atdziest un kondensējas mākoņos, kuru masas palielinās un palielinās ar konvekciju.

Palielinot ūdens pilienu lielumu, nāk laiks, kad atkarībā no temperatūras ūdens izgulsnējas lietus, cietā vai šķidrā veidā.

Vāriet ūdeni traukā

Kad ūdeni ieliek tējkannā vai katliņā, vispirms tiek uzkarsēti apakšā vistuvākie slāņi, jo vistuvāk ir degļa liesma vai siltums. Tad ūdens izplešas un tā blīvums samazinās, tāpēc tas paceļas, un aukstāks ūdens ņem savu vietu trauka apakšā.

4. attēls. Ūdens sildīšana ar konvekciju. Avots: wikimedia Commons. Lietotājs: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Tādā veidā visi slāņi ātri cirkulē un viss ūdens ķermenis uzsilst. Šis ir labs advekcijas piemērs.

Vēja ģenerēšana

Konvekcija gaisa masās kopā ar zemes rotācijas kustību rada vēju, jo auksts gaiss pārvietojas un cirkulē zem karsta gaisa, radot dažādas straumes, ko sauc par konvekcijas straumēm.

Okeāna straumes

Ūdens rīkojas līdzīgi tam, kā gaiss rīkojas atmosfērā. Siltāki ūdeņi gandrīz vienmēr atrodas virsmas tuvumā, bet vēsāki ūdeņi ir dziļāki.

Dinamo efekts

Tas notiek izkusušajā kodolā planētas iekšienē, kur tas apvienojas ar Zemes rotācijas kustību, ģenerējot elektriskās strāvas, kas rada Zemes magnētisko lauku.

Enerģijas pārvade zvaigznēs

Tādas zvaigznes kā Saule ir milzīgas gāzes sfēras. Konvekcija tur ir efektīvs enerģijas transportēšanas mehānisms, jo gāzveida molekulām ir pietiekama brīvība pārvietoties starp zvaigžņu iekšējiem apgabaliem.

Konvekcijas pielietojumi

gaisa kondicionieri

Gaisa kondicionieri novieto pie istabu griestiem, lai blīvāks atdzesētais gaiss nolaižas un ātri atdziest tuvāk grīdai.

Siltummaiņi

Tā ir ierīce, kas ļauj pārvadīt siltumu no viena šķidruma uz otru, un tā ir, piemēram, automobiļa dzinēja gaisa kondicionieru un dzesēšanas mehānismu darbības princips.

Siltumizolatori ēkās

Tos izgatavo, apvienojot izolācijas materiāla loksnes un pievienojot iekšpusē gaisa burbuļus.

dzesēšanas torņi

Tos sauc arī par dzesēšanas torņiem, un tie kalpo kodolelektrostaciju, naftas pārstrādes rūpnīcu un citu dažādu rūpniecības objektu radītā siltuma novadīšanai gaisā, nevis zemē vai ūdenī.

Atsauces

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Vadītspēja, konvekcija un starojums. Atgūts no: eltamiz.com.
3. Natahenao. Siltuma lietojumi. Atgūts no: natahenao.wordpress.com.
4. Servejs, R. Fizika zinātnei un inženierijai. 1. sējums. 7. Ed. Cengage mācīšanās.
5. Wikipedia. Konvekcija. Atgūts no: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvekcijas termiķis. Atgūts no: fr.wikipedia.org.