KONVEKCIJA: ZNAČILNOSTI, PRIMERI, APLIKACIJE - FIZIČNO - 2025

Konvekcijo je eden od treh mehanizmov, da se toplota prenaša iz enega območja v drugo toplejši hladilnika. Poteka zaradi gibanja mase tekočine, ki je lahko tekočina ali plin. Vsekakor je za ta mehanizem vedno potreben materialni medij.

Hitrejše je gibanje zadevne tekočine, hitrejši je prenos toplotne energije med območji različnih temperatur. To se dogaja neprekinjeno z atmosferskimi zračnimi masami: vzgon zagotavlja toplejše in manj goste dvige, hladnejše in gostejše pa se spuščajo.

Slika 1. Prostor se ohladi z odpiranjem vrat, saj se vroč zrak (rdeča puščica) in manj gosto dvigne in uhaja iz njega. Vir: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Primer tega je zaprta soba na sliki, ki se takoj osveži takoj, ko se odprejo vrata ali okna, saj vroč zrak od znotraj uhaja celo skozi razpoke in daje svež zrak od zunaj, ki ostane več dol.

Vrste konvekcije

Naravna in prisilna konvekcija

Slika 2. Primeri prisilne konvekcije in naravne konvekcije. Vir: Cengel, Y. Termodinamika.

Konvekcija je lahko naravna ali prisilna. V prvem primeru se tekočina premakne sama od sebe, kot pri odpiranju vrat v sobo, v drugem pa jo na primer prisili ventilator ali črpalka.

Difuzija in advekcija

Obstajata lahko tudi dve različici: difuzija in advekcija. Pri difuziji se molekule tekočine gibljejo bolj ali manj naključno in prenos toplote je počasen.

Po drugi strani se pri advekciji giblje dobra količina tekoče mase, kar lahko dosežemo na primer s konvekcijo z ventilatorjem. Prednost advekcije pa je, da je veliko hitrejša od difuzije.

¿

Preprost matematični model konvektivnega prenosa toplote je Newtonov zakon hlajenja. Razmislite o vroči površini A, obdani s hladnejšim zrakom, tako da je razlika v temperaturi majhna.

Poimenimo preneseno toploto Q in čas t. Hitrost prenosa toplote je dQ / dt ali izhaja iz funkcije Q (t) glede na čas.

Ker je toplota toplotna energija, so njene enote v mednarodnem sistemu džuli (J), zato hitrost prenosa prihaja v džulih / sekundo, ki so vati ali vati (W).

Ta hitrost je neposredno sorazmerna z razliko v temperaturi med vročim predmetom in medijem, označeno kot ΔT in tudi s površino A predmeta:

Konstanta sorazmernosti se imenuje h, ki je koeficient prenosa toplote s konvekcijo in je določena eksperimentalno. Njegove enote v mednarodnem sistemu (SI) so Š / m ² . K, vendar ga je običajno najti v smislu stopinj Celzija ali Celzija.

Pomembno je upoštevati, da ta koeficient ni lastnost tekočine, saj je odvisen od več spremenljivk, kot so geometrija površine, hitrost tekočine in druge značilnosti.

Newtonov zakon hlajenja matematično združuje vse zgoraj navedeno:

Uporaba Newtonovega zakona hlajenja

Oseba stoji na sredini prostora 20 ° C, skozi katero piha rahel vetrič. Kakšna je hitrost toplote, ki jo človek s konvekcijo odda v okolje? Predpostavimo, da je izpostavljena površina 1,6 m ^2, površina kože pa 29 ° C.

Dejstvo : koeficient prenosa toplote konvekcije v tem primeru znaša 6 W / m ² . ºC

Rešitev

Oseba lahko odda toploto zraku okoli sebe, saj je v gibanju, ko piha vetrič. Če želite najti hitrost prenosa dQ / dt, preprosto priključite vrednosti v Newtonovo enačbo za hlajenje:

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

Primeri konvekcije

Segrejte roke nad tabornim ognjem

Običajno je, da si roke ogrejete tako, da jih približate ob tabornem ognju ali vročem toasterju, saj se zrak okoli vira toplote segreje in širi, narašča pa zato, ker je manj gost. Med kroženjem ta vroč zrak zajema in ogreje roke.

Slika 3. Eden od načinov za ogrevanje rok je skozi konvekcijski tok, ki ga ustvari v zraku ob ognju. Vir: Pxfuel.

Pretok zraka na obali

Na obali je morje hladnejše od kopnega, zato se zrak nad kopnim segreva in dviguje, hladnejši zrak pa se pri vzponu prileže in naseli v prostoru, ki ga je ostal drugi.

Temu pravimo konvekcijska celica in je razlog, da se ob pogledu na morje počuti hladnejšega, vetrič pa vroč dan piha proti obrazu. Ponoči se zgodi ravno obratno, hladen vetrič prihaja s kopnega.

Vodni cikel

Naravna konvekcija se dogaja v zraku oceanskih obal skozi hidrološki cikel, v katerem se voda segreje in izhlapi zahvaljujoč sončnemu sevanju. Tako nastala vodna para se dvigne, ohladi in kondenzira v oblake, katerih mase se s konvekcijo povečajo in dvignejo.

S povečanjem velikosti vodnih kapljic prihaja čas, ko se voda obori v obliki dežja, trdne ali tekoče, odvisno od temperature.

V posodi zavremo vodo

Ko se voda postavi v kotliček ali posodo, se najprej segrejejo plasti, ki so najbližje dnu, saj je plamen ali toplota iz gorilnika najbližja. Potem se voda razširi in njena gostota se zmanjša, zato se dvigne in hladnejša voda zasede svoje mesto na dnu posode.

Slika 4. Ogrevanje vode s konvekcijo. Vir: wikimedia Commons. Uporabnik: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Na ta način vse plasti hitro krožijo in segreva celotno telo vode. To je dober primer advekcije.

Generacija vetra

Konvekcija v zračnih masah skupaj z vrtljivim gibanjem Zemlje proizvaja vetrove, ko se hladni zrak premika in kroži pod vročim zrakom, kar ustvarja različne tokove, imenovane konvekcijske tokove.

Oceanski tokovi

Voda se obnaša podobno kot zrak v atmosferi. Toplejše vode so skoraj vedno blizu površine, hladnejše vode pa globlje.

Dinamov učinek

Pojavlja se v staljenem jedru znotraj planeta, kjer se združuje z Zemljinim rotacijskim gibanjem in ustvarja električne tokove, ki povzročajo Zemljino magnetno polje.

Prenos energije znotraj zvezd

Zvezde, kot je Sonce, so ogromne sfere plina. Konvekcija je tam učinkovit mehanizem za prenos energije, saj imajo plinovite molekule dovolj svobode za gibanje med območji notranjosti zvezd.

Uporaba konvekcije

klimatske naprave

Klimatska naprava je nameščena blizu stropa prostorov, tako da se ohlajeni zrak, ki je gostejši, spusti in ohladi bližje tlom.

Izmenjevalniki toplote

Gre za napravo, ki omogoča prenos toplote iz ene tekočine v drugo in je na primer načelo delovanja klimatskih naprav in hladilnih mehanizmov avtomobilskega motorja.

Toplotni izolatorji v stavbah

Izdelani so tako, da v notranjosti kombiniramo liste izolacijskega materiala in dodamo zračne mehurčke.

hladilni stolpi

Prav tako jih imenujejo hladilni stolpi, namesto v zemljo ali vodo odlagajo toploto, ki jo proizvedejo jedrske elektrarne, rafinerije nafte in drugi različni industrijski objekti.

Reference

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Provodljivost, konvekcija in sevanje. Pridobljeno: eltamiz.com.
3. Natahenao. Uporaba toplote. Pridobljeno: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 1. 7. Ed Cengage Learning.
5. Wikipedija. Konvekcija. Pridobljeno: en.wikipedia.org.
6. Wikipedija. Konvekcijski termik. Pridobljeno: fr.wikipedia.org.