Mokslo ir technologijų pasaulis

Neseniai Lietuvoje praūžė galingos audros, užtvindžiusios gatves ir prilaužusios medžių. Visą tai lėmė vienas fizikinis reiškinys – konvekcija. Taigi, kas tai yra, ir kaip veikia mūsų gyvenimus.

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:

Konvekcija mūsų planetoje

Kai suformavo mūsų planeta, ją sudarė karštos išlydytos uolienos, kurių temperatūra viršijo tūkstančius laipsnių, ir bėgant metams jos palaipsniui atvėso.

Pasak JAV Nacionalinės vandenynų ir atmosferos administracijos, kai susiformavo Mėnulis, Žemės temperatūra galėjo būti apie 2300 Kelvinų (apie 2027 laipsnių Celsijaus).

Žemės paviršiaus temperatūra dabar yra vėsi, tačiau ji vis tiek išlaiko šilumą, sukauptą dar nuo jos susiformavimo pradžios.

Kai Žemė pradėjo formuotis maždaug prieš 4,5 milijardo metų, geležis ir nikelis greitai atsiskyrė nuo kitų uolienų ir mineralų ir sudarė naujos planetos šerdį. Ištirpusi medžiaga, supusi šerdį, buvo ankstyvoji mantija. Per milijonus metų mantija atvėso ir sustingo.

Nors konvekcija dažniausiai yra vientisa, mantijoje vyksta konvekcija, kai šiluma perduodama iš baltai įkaitusios šerdies į trapią litosferą. Kadangi mantija yra šildoma iš apačios ir aušinama iš viršaus, jos bendra temperatūra per ilgą laiką mažėja.

Pagal vieną modelį konvekcinė sistema egzistuoja tarp šaltų ir karštų ribinių sluoksnių, dar vadinamų šiluminių ribų sluoksniais (TBL). Šilumos konvekcija, vykstanti per didelius šiluminius gradientus per TBL, yra šilumos perdavimo mechanizmas. Šilumos energija konvekcijos būdu juda per TBL, į mantiją ir iš jos.

Konvekcinės srovės perkelia karštą, plūduriuojančią magmą į litosferą (Žemės paviršių) ties plokščių ribomis ir karštais taškais. Konvekcinės srovės subdukcijos metu taip pat perneša tankesnę, vėsesnę medžiagą iš plutos į Žemės vidų. Šis mantijos konvekcijos procesas verčia tektonines plokštes judėti aplink Žemės paviršių.

Taigi mantija veikia kaip šilumos perdavimo būdas planetoje ir lemia įvairius svarbius geologinius procesus, tokius kaip ugnikalnių išsiveržimai, judėjimas tektoninėse plokštėse, tektoninius trūkiai, žemės drebėjimai ir kt.

Konvekcijos Žemės mantijoje teoriją iš pradžių pasiūlė britų geologas Arthuras Holmesas, kuris palaikė ir toliau plėtojo Alfredo Wegenerio žemyno dreifo teoriją.

Holmsas nustatė, kad mantija juda, nes joje yra konvekcinės gardelės, kurios išsklaido radioaktyvią šilumą ir išjudina plutą paviršiuje. Jis taip pat prisidėjo prie 6-ojo dešimtmečio okeanografinių tyrimų, kurie nustatė jūros dugno plitimo fenomeną.

Dėl mantijos konvekcijos mechanizmo Žemės temperatūra per milijardus metų sumažėjo ir tapo palanki įvairioms cheminėms veikloms, kurios galiausiai planetoje lėmė gyvybę.

Lemia kasdienį gyvenimą

Kasdieniame gyvenime naudojame įvairias technikas, norėdami reguliuoti išorines sąlygas pagal savo kūno reikalavimus.

Konvekcija mums daugeliu būdų padeda pasiekti tą patį, tai leidžia mums aplinkinius skysčius paversti vėsesniais ar karštesniais, kaip mums patinka, ir yra daugybė pavyzdžių, kurie tai įrodo.

• Šaldytuvas veikia pasitelkiant konvekcijos procesą. Šaltnešio dujos cirkuliuoja vario linijomis per šaldytuvo ir šaldiklio skyrius. Vamzdžiai ir dujos sugeria šilumą šaldytuve ir šaldiklyje, o dujos cirkuliuoja atgal į kompresorių. Kompresoriuje suspaustos dujos išskiria šilumą į aplinką.
• Kukurūzų paruošimui naudojamos karšto oro spragėsių mašinos taip pat veikia konvekcijos principu. Joje yra ventiliatorius, kaitinimo elementas ir ventiliacijos anga. Įdėjus spragėsių grūdelius į spragintuvą ir jį įjungus, kaitinimo elementas šildo orą, ventiliatorius nukreipia jį į kukurūzų grūdelius. Kai šis oras pasiekia kukurūzus, jie išsprogsta ir tampa spragintais kukurūzais.

• Arbatos, kavos, sriubos ir daugelio kitų karštų gėrimų nepavyktų paruošti be konvekcijos. Be to, konvekcinėse viryklėse taip pat naudojamas tas pats energijos perdavimo principas, kurį naudoja karšto oro spragėsių mašinos.
• Radiatoriai, kurie žiemą palaiko namų šilumą, gyvenamojoje erdvėje sukuria konvekcijos srovę. Jų gaminamas karštas oras pakyla, išstumdamas vėsesnį orą, kuris skęsta (leidžiasi žemyn) ir savo ruožtu pašildomas radiatoriaus.
• Konvekcija taip pat veikia lemia ledo tirpimą. Kai šiltas oras pučia virš ledo paviršiaus, šiluma konvekcijos būdu perduodama ledui ir ledas pradeda tirpti.

Konvekcijos principas taip pat akivaizdus karšto oro balionuose, krituliuose, oru aušinamuose varikliuose, jūros ir sausumos brize, perkūnijoje ir kt. Tai svarbus reiškinys, turintis įtakos mūsų aplinkai, orams ir gyvenimo būdui.