KONWEKCJA: CHARAKTERYSTYKA, PRZYKŁADY, ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2026

Konwekcja jest z trzech mechanizmów, że ciepło jest przenoszone z jednej strefy do drugiej chłodnicy cieplejszy. Dzieje się tak z powodu ruchu masy płynu, który może być cieczą lub gazem. W każdym razie, aby ten mechanizm mógł zaistnieć, zawsze potrzebny jest materialny nośnik.

Im szybszy ruch danego płynu, tym szybszy transfer energii cieplnej między strefami o różnych temperaturach. Dzieje się to w sposób ciągły z masami powietrza atmosferycznego: wypór zapewnia, że ​​cieplejsze i mniej gęste unoszą się, a zimniejsze i gęstsze opadają.

Rysunek 1. Pomieszczenie jest chłodzone przez otwarcie drzwi, ponieważ gorące powietrze (czerwona strzałka) i mniej gęste unosi się i ucieka z niego. Źródło: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Przykładem tego jest zamknięte pomieszczenie na zdjęciu, które jest natychmiast odświeżane, gdy tylko drzwi lub okna zostaną otwarte, ponieważ gorące powietrze z wnętrza ucieka nawet przez szczeliny, ustępując miejsca świeżemu powietrzu z zewnątrz, które pozostaje bardziej na dół.

Rodzaje konwekcji

Konwekcja naturalna i wymuszona

Rysunek 2. Przykłady konwekcji wymuszonej i konwekcji naturalnej. Źródło: Cengel, Y. Thermodynamics.

Konwekcja może być naturalna lub wymuszona. W pierwszym przypadku płyn porusza się samoczynnie, jak przy otwieraniu drzwi do pomieszczenia, w drugim jest wymuszany np. Przez wentylator lub pompę.

Dyfuzja i adwekcja

Istnieją również dwa warianty: dyfuzja i adwekcja. Podczas dyfuzji cząsteczki płynu poruszają się mniej lub bardziej przypadkowo, a przekazywanie ciepła jest powolne.

Natomiast adwekcja przenosi dużą ilość masy płynu, co można osiągnąć, na przykład, wymuszając konwekcję za pomocą wentylatora. Ale zaletą adwekcji jest to, że jest znacznie szybsza niż dyfuzja.

¿

Prostym modelem matematycznym konwekcyjnej wymiany ciepła jest prawo chłodzenia Newtona. Rozważ gorącą powierzchnię obszaru A otoczoną chłodniejszym powietrzem, tak aby różnica temperatur była niewielka.

Nazwijmy przenoszone ciepło Q i czas t. Szybkość przenoszenia ciepła wynosi dQ / dt lub jest wyprowadzana z funkcji Q (t) w odniesieniu do czasu.

Ponieważ ciepło jest energią cieplną, jej jednostkami w układzie międzynarodowym są dżule (J), dlatego szybkość transferu jest podawana w dżulach na sekundę, czyli w watach lub watów (W).

Szybkość ta jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur między gorącym przedmiotem a medium, oznaczonej jako ΔT, a także do pola powierzchni obiektu A:

Stała proporcjonalności nazywa się h, która jest współczynnikiem przenikania ciepła przez konwekcję i jest określana eksperymentalnie. Jego jednostki w układzie międzynarodowym (SI) to W / m ² . K, ale często określa się go w stopniach Celsjusza lub Celsjusza.

Należy zauważyć, że współczynnik ten nie jest właściwością płynu, ponieważ zależy od kilku zmiennych, takich jak geometria powierzchni, prędkość płynu i inne właściwości.

Łącząc wszystkie powyższe, matematycznie prawo chłodzenia Newtona przyjmuje następującą postać:

Zastosowanie prawa chłodzenia Newtona

Osoba stoi na środku pomieszczenia 20 ° C, przez które wieje lekki wiatr. Jaka jest szybkość ciepła, które osoba przekazuje do otoczenia na drodze konwekcji? Załóżmy, że pole odsłoniętej powierzchni wynosi 1,6 m ² , a temperatura powierzchni skóry, wynosi 29 ° C.

Fakt : współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję w tym przypadku wynosi 6 W / m ² . ºC

Rozwiązanie

Osoba może przenosić ciepło do otaczającego ją powietrza, ponieważ jest w ruchu, gdy wieje wiatr. Aby znaleźć szybkość transferu dQ / dt, po prostu podłącz wartości do równania Newtona dla chłodzenia:

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

Przykłady konwekcji

Ogrzej ręce nad ogniskiem

Często ogrzewa się ręce, zbliżając je do ogniska lub gorącego tostera, ponieważ powietrze wokół źródła ciepła z kolei nagrzewa się i rozszerza, unosząc się, ponieważ jest mniej gęste. Gdy krąży, to gorące powietrze otula i ogrzewa dłonie.

Rysunek 3. Jednym ze sposobów na ogrzanie dłoni jest przepływ prądu konwekcyjnego wytwarzanego w powietrzu przez ogień. Źródło: Pxfuel.

Przepływ powietrza na wybrzeżu

Na wybrzeżu morze jest zimniejsze niż ląd, więc powietrze nad lądem nagrzewa się i unosi, podczas gdy zimniejsze powietrze dociera i osiada w przestrzeni pozostawionej przez to drugie podczas wznoszenia.

Nazywa się to komórką konwekcyjną i jest powodem, dla którego jest chłodniej, gdy patrzy się na morze, a wiatr wieje w twarz w upalny dzień. W nocy dzieje się odwrotnie, chłodna bryza dochodzi z lądu.

Obieg wody

Konwekcja naturalna zachodzi w powietrzu wybrzeży oceanicznych poprzez cykl hydrologiczny, w którym woda jest podgrzewana i odparowywana dzięki promieniowaniu słonecznemu. Powstała w ten sposób para wodna unosi się, ochładza i kondensuje w chmury, których masy zwiększają się i unoszą w wyniku konwekcji.

Zwiększenie wielkości kropelek wody powoduje, że woda wytrąca się w postaci deszczu, stałej lub ciekłej, w zależności od temperatury.

Zagotuj wodę w pojemniku

Gdy woda jest umieszczana w czajniku lub rondlu, najpierw podgrzewane są warstwy znajdujące się najbliżej dna, ponieważ płomień lub ciepło z palnika są najbliżej. Wówczas woda rozszerza się, a jej gęstość spada, przez co podnosi się i zimniejsza woda zajmuje swoje miejsce na dnie zbiornika.

Rysunek 4. Ogrzewanie wody przez konwekcję. Źródło: wikimedia Commons. Użytkownik: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

W ten sposób wszystkie warstwy szybko krążą, a cała woda się nagrzewa. To jest dobry przykład adwekcji.

Generacja wiatru

Konwekcja w masach powietrza wraz z ruchem obrotowym ziemi wytwarza wiatry, ponieważ zimne powietrze porusza się i krąży pod gorącym powietrzem, tworząc różne prądy zwane prądami konwekcyjnymi.

prądy oceaniczne

Woda zachowuje się podobnie do powietrza w atmosferze. Cieplejsze wody są prawie zawsze blisko powierzchni, podczas gdy chłodniejsze wody są głębsze.

Efekt dynama

Występuje w stopionym jądrze wewnątrz planety, gdzie łączy się z ruchem obrotowym Ziemi, generując prądy elektryczne, które powodują powstanie pola magnetycznego Ziemi.

Przekazywanie energii wewnątrz gwiazd

Gwiazdy takie jak Słońce to ogromne kule gazu. Konwekcja jest tam wydajnym mechanizmem transportu energii, ponieważ cząsteczki gazowe mają wystarczającą swobodę przemieszczania się między obszarami wnętrza gwiazd.

Zastosowania konwekcji

klimatyzatory

Klimatyzator umieszcza się pod sufitem pomieszczeń, dzięki czemu schłodzone powietrze, które jest gęstsze, opada i szybko schładza się bliżej podłogi.

Wymienniki ciepła

Jest to urządzenie, które umożliwia przenoszenie ciepła z jednego płynu do drugiego i jest zasadą działania np. Klimatyzatorów i mechanizmów chłodzenia silnika samochodowego.

Izolatory termiczne w budynkach

Powstają z połączenia arkuszy materiału izolacyjnego i dodania do wnętrza pęcherzyków powietrza.

wieże chłodnicze

Nazywane również wieżami chłodniczymi, służą do odprowadzania ciepła wytwarzanego przez elektrownie jądrowe, rafinerie ropy naftowej i inne różne obiekty przemysłowe do powietrza, zamiast do ziemi lub do wody.

Bibliografia

1. Giambattista, A. 2010. Fizyka. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez E. Przewodnictwo, konwekcja i promieniowanie. Odzyskany z: eltamiz.com.
3. Natahenao. Zastosowania ciepła. Odzyskany z: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 1. 7th. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konwekcja. Odzyskane z: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Termika konwekcyjna. Odzyskane z: fr.wikipedia.org.