Audrų, škvalo ir krušos variklis – kas yra konvekcija? Vaidina svarbesnį vaidmenį gyvenime nei pagalvotumėte: nuo tektoninių plokščių judėjimo iki kavos puodelio, šaldytuvo ir spragintų kukurūzų (Foto, Video)

Kai kurie mokslo reiškiniai užima reikšmingą vietą mūsų kasdienybėje, tačiau dažniausiai nežinome apie jų buvimą.

Imkime kavos pavyzdį, kuris daugeliui yra mėgstamiausias rytinis gėrimas. Ar kada pagalvojote, kas suteikia kavai atgaivinančius ir karštus garus? Tai konvekcija, tas pats mokslinis procesas, leidžiantis oro balionams pakilti į dangų.

Gamtoje vienas šilumos ar energijos perdavimo procesas vyksta konvekcijos būdu. Konvekcija yra skysčio judėjimas - skysčio ar dujų – viduje, kurį lemia temperatūros skirtumai. Konvekcija perduoda šilumos energiją iš karštų vietų į vėsesnes vietas.

Kas sukelia konvekciją?

Skysčiuose ir dujose esančios dalelės jas kaitinant juda greičiau nei šaltos, todėl dalelės užima daugiau tūrio, nes didėjant judėjimui tarpas tarp dalelių didėja (pačios dalelės išlieka vienodo dydžio).

Dėl šio temperatūros ir tūrio padidėjimo sumažėja skysčio tankis. Tada mažesnio tankio skystis pakyla į vėsesnes, tankesnes skysčio vietas. Kai mažesnio tankio skystis kyla ir vėsta, jis vėl tampa tankesnis ir skęsta. Tokiu būdu sukuriamos konvekcinės srovės, perduodančios šilumą iš vienos vietos į kitą.

Konvekcija kietosiose medžiagose paprastai nevyksta, nes standesnė molekulinė struktūra neleidžia tekėti dalelėms. Klampiuose skysčiuose konvekcija vyksta, bet lėčiau nei skystesniuose.

Newtono atvėsimo dėsnis ir šilumos perdavimo koeficientas

Kol nebuvo žinoma, kad konvekcija lemia šilumos perdavimą, ji buvo laikoma viena iš daugelio skysčių savybių. 1701 m. seras Isaacas Newtonas nustatė konvekcijos ir šilumos perdavimo santykį empiriškai stebėdamas konvekcinį karštų kūnų aušinimą. Jis teigė, kad kūno šilumos nuostolių greitis yra tiesiogiai proporcingas perteklinei kūno temperatūrai, palyginti su jo aplinka.

Newtonas taip pat įvedė konvekcinį šilumos perdavimo koeficientą (h) ir išvedė atvėsimo dėsnį, kad kiekybiškai paaiškintų priežastį, kodėl objektai ore atvėsta.

Pagal Newtono atvėsimo dėsnį kūno šilumos praradimo greitis (dQ / dt, kur Q = temperatūros pokytis) yra tiesiogiai proporcingas temperatūros skirtumui (ΔT = (T2 - T1), kur T2 yra skysčio temperatūra ir T1 yra aplinkos temperatūra) tarp objekto ir jo aplinkos.

Newtonas apibrėžė šilumos perdavimo koeficientą (h) kaip šilumos perdavimo greitį ploto vienetui ir temperatūros vienetui.

h = Q / AT

Todėl,

Q = h x A x ΔT

Čia:

Q = šilumos perdavimo greitis

h = konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas

A = atidengtas paviršiaus plotas

ΔT = temperatūros skirtumas

Savo eksperimentų metu Newtonas aplinkos temperatūrą laikė pastoviąja verte, ir tai taip pat laikoma didžiausiu Niutono atvėsimo dėsnio apribojimu.

Konvekcijos tipai

Konvekciją galima suskirstyti į dvi kategorijas: natūralią ir priverstinę konvekciją. Tačiau realiose situacijose konvekcija taip pat gali pasireikšti abiem pavidalais vienu metu, dėl ko konvekcija būna mišri.

Natūrali konvekcija

Natūrali konvekcija yra tada, kai šilumos perdavimas nėra generuojamas išorinio šaltinio. Vietoj to skysčio judėjimą lemia plūdrumas, skysčio tankio skirtumas, atsirandantis dėl temperatūros gradientų.

Debesų susidarymas yra klasikinis natūralios konvekcijos pavyzdys. Saulei kaitinant Žemės paviršių, oras virš jos kaista ir kyla. Kai oras toliau kyla, jis atvėsta ir susidaro kamuoliniai (cumulus) debesys.

Dėl stipresnės konvekcijos oras pakyla aukščiau, kol prieš atvėsdamas, gali išsivystyti daug didesnius debesis – kartais susidaro liūtiniai kamuoliniai (cumulonimbus) debesys ir netgi perkūnija.

Priverstinė konvekcija

Kai judėjimą skystyje sukelia išoriniai įtaisai, tokie kaip siurblys ar ventiliatorius, tada šis procesas vadinamas priverstine konvekcija. Paprastai, kai proceso metu reikalingi dideli šilumos kiekiai, naudojama priverstinė konvekcija.

Priverstinė konvekcija leidžia vienai skysčio srovei atvėsinti arba sušildyti kitą skysčio srautą – šiuo principu buvo padaryti išradimai, tokie kaip oro kondicionieriai, šildymo sistemos, vėdinimo sistemos ir kt.

Konvekcijos, laidumo ir radiacijos skirtumas

Be konvekcijos yra dar du gamtoje egzistuojantys šilumos perdavimo būdai – laidumas ir radiacija.

Kiekvienas iš šių mechanizmų vaidina svarbų vaidmenį energijos perdavimo procese, kuris vyksta mus supančioje atmosferoje. Yra keli pagrindiniai skirtumai, kuriais remiantis jie išskiriami.

1. Konvekcijos metu šiluma perduodama per skysčius (skysčius ar dujas), tačiau laidumo atveju šiluma perduodama per kietąsias medžiagas, o kalbant apie radiaciją, šilumos perdavimas vyksta per elektromagnetines bangas.
2. Molekulinių tankių skirtumas konvekcijoje vaidina pagrindinį vaidmenį, tačiau laidumą pirmiausia lemia temperatūros skirtumas. Daugeliu atvejų po laidumo seka konvekcija, pavyzdžiui, verdant vandenį, vanduo per laidumą pašildomas, o tada dėl konvekcijos kyla mažo tankio vandens molekulės. Kita vertus, radiaciją skleidžia visi objektai, kurių temperatūra yra didesnė nei 0 Kelvinų. Žemės kaitinimas Saulės spinduliais ir kambario šildymas atviru židiniu yra šilumos perdavimo spinduliuojant pavyzdžiai.
3. Šilumos perdavimo greitis didžiausias radiacijos atveju, nes šviesa sklinda greičiau nei bet kurios kitos formos energija, ji yra mažiausia laidumo atveju, kai šilumos perdavimas tarp kietųjų medžiagų vyksta dėl molekulinių susidūrimų.
4. Laidumui ir konvekcijai negalioja atspindžio ir lūžio (refrakcijos) dėsniai, tačiau radiacijai – taip.
5. Kai kurie įprasti laidumo pavyzdžiai yra raumenų pašildymas šildymo įtaisu, metaliniai indai įkaista, kai į juos pilamas karštas skystis, elektros laidumas, leidžiantis mėgautis televizija ir kt. Šaldytuvas yra konvekcijos pavyzdys, tuo tarpu energija kurią gauname iš Saulės ir iš rentgeno aparato, yra radiacijos pavyzdžiai.

Tęsinys kitame puslapyje: