КОНВЕКЦИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИМЕРЫ, ПРИМЕНЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Конвекции является одним из трех механизмов , что тепло передается от одной зоны к другой более теплой охладитель. Это происходит из-за движения массы жидкости, которая может быть жидкостью или газом. В любом случае, чтобы этот механизм работал, всегда требуется материальная среда.

Чем быстрее движется рассматриваемая жидкость, тем быстрее происходит передача тепловой энергии между зонами с разными температурами. Это происходит постоянно с атмосферными воздушными массами: благодаря плавучести более теплые и менее плотные поднимаются, а более холодные и более плотные опускаются.

Рис. 1. Охлаждение помещения происходит при открытии двери, поскольку горячий воздух (красная стрелка) и менее плотный поднимается и выходит из него. Источник: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Примером этого является закрытая комната на изображении, которая охлаждается сразу же, как только открываются двери или окна, поскольку горячий воздух изнутри выходит даже через щели, уступая место свежему воздуху снаружи, который остается больше. вниз.

Типы конвекции

Естественная и принудительная конвекция

Рисунок 2. Примеры принудительной конвекции и естественной конвекции. Источник: Ценгель Ю. Термодинамика.

Конвекция может быть естественной или принудительной. В первом случае жидкость движется сама по себе, как при открытии двери в комнату, а во втором - нагнетается, например, вентилятором или насосом.

Диффузия и адвекция

Также может быть два варианта: диффузия и адвекция. При диффузии молекулы жидкости движутся более или менее беспорядочно, и передача тепла происходит медленно.

Напротив, адвекция перемещает большое количество жидкой массы, чего можно достичь, например, путем принудительной конвекции с помощью вентилятора. Но преимущество адвекции в том, что она намного быстрее диффузии.

¿

Простая математическая модель конвективного теплообмена - закон охлаждения Ньютона. Рассмотрим горячую поверхность области A, окруженную более холодным воздухом, так что разница в температуре небольшая.

Назовем передаваемую теплоту Q и время t. Скорость передачи тепла равна dQ / dt или определяется функцией Q (t) по времени.

Поскольку тепло - это тепловая энергия, ее единицами измерения в Международной системе являются джоули (Дж), поэтому скорость передачи выражается в джоулях в секунду, то есть в ваттах или ваттах (Вт).

Эта скорость прямо пропорциональна разнице температур между горячим объектом и средой, обозначенной как ΔT, а также площади поверхности A объекта:

Константа пропорциональности называется h, она представляет собой коэффициент теплопередачи за счет конвекции и определяется экспериментально. Его единицы в Международной системе (СИ) - Вт / м ² . K, но обычно его определяют в градусах Цельсия или Цельсия.

Важно отметить, что этот коэффициент не является свойством жидкости, поскольку он зависит от нескольких переменных, таких как геометрия поверхности, скорость жидкости и других характеристик.

Комбинируя все вышесказанное, математически закон охлаждения Ньютона принимает такую ​​форму:

Применение закона охлаждения Ньютона

Человек стоит посреди комнаты 20 ° C, сквозь которую дует легкий ветерок. Какая скорость тепла, которое человек передает в окружающую среду путем конвекции? Предположим, что площадь открытой поверхности составляет 1,6 м ^2, а температура поверхности кожи составляет 29 ºC.

Факт : коэффициент конвективной теплоотдачи в этом случае составляет 6 Вт / м ² . ºC

Решение

Человек может передавать тепло окружающему воздуху, поскольку он находится в движении, когда дует ветер. Чтобы найти скорость передачи dQ / dt, просто подставьте значения в уравнение Ньютона для охлаждения:

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

Примеры конвекции

Согрейте руки над костром

Обычно руки согревают, поднося их к костру или горячему тостеру, поскольку воздух вокруг источника тепла, в свою очередь, нагревается и расширяется, поднимаясь вверх, потому что он менее плотный. По мере того, как он циркулирует, этот горячий воздух окутывает и согревает ваши руки.

Рис. 3. Один из способов согреть руки - это конвекционный поток, создаваемый огнем в воздухе. Источник: Pxfuel.

Воздушный поток на побережье

На побережье море холоднее, чем земля, поэтому воздух над сушей нагревается и поднимается, в то время как более холодный воздух приходит и оседает в пространстве, оставленном другим человеком при подъеме.

Это называется конвекционной камерой, и поэтому в жаркий день вам становится прохладнее, когда вы смотрите на море, а ветерок дует вам в лицо. Ночью происходит обратное, дует прохладный ветерок с суши.

Круговорот воды

Естественная конвекция происходит в воздухе океанических побережий в рамках гидрологического цикла, в котором вода нагревается и испаряется за счет солнечного излучения. Образовавшийся таким образом водяной пар поднимается, охлаждается и конденсируется в облака, массы которых увеличиваются и поднимаются за счет конвекции.

Увеличивая размер водяных капель, наступает время, когда вода выпадает в виде дождя, твердого или жидкого, в зависимости от температуры.

Вскипятите воду в емкости

Когда вода помещается в чайник или кастрюлю, в первую очередь нагреваются ближайшие ко дну слои, так как пламя или тепло от горелки находятся ближе всего. Затем вода расширяется и ее плотность уменьшается, поэтому она поднимается вверх, и более холодная вода занимает свое место на дне емкости.

Рисунок 4. Нагрев воды конвекцией. Источник: wikimedia Commons. Пользователь: Они Лукос / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Таким образом, все слои быстро циркулируют, и весь водоем нагревается. Это хороший пример адвекции.

Генерация ветра

Конвекция в воздушных массах вместе с вращательным движением Земли порождает ветры, поскольку холодный воздух движется и циркулирует под горячим воздухом, создавая различные течения, называемые конвекционными потоками.

Океанские течения

Вода ведет себя так же, как воздух в атмосфере. Более теплые воды почти всегда находятся у поверхности, а более прохладные - глубже.

Эффект динамо

Он возникает в расплавленном ядре внутри планеты, где он сочетается с вращательным движением Земли, генерируя электрические токи, которые создают магнитное поле Земли.

Передача энергии внутри звезд

Звезды, подобные Солнцу, представляют собой огромные газовые сферы. Конвекция здесь является эффективным механизмом переноса энергии, поскольку газообразные молекулы обладают достаточной свободой для перемещения между областями внутри звезд.

Применение конвекции

Кондиционеры

Кондиционер ставится под потолком в комнатах, чтобы более плотный охлажденный воздух быстрее спускался и остывал ближе к полу.

Теплообменники

Это устройство, которое позволяет передавать тепло от одной жидкости к другой, и является принципом работы, например, кондиционеров и охлаждающих механизмов автомобильного двигателя.

Теплоизоляторы в зданиях

Их делают путем объединения листов изоляционного материала и добавления внутрь пузырьков воздуха.

градирни

Также называемые градирнями, они служат для отвода тепла, производимого атомными электростанциями, нефтеперерабатывающими заводами и другими различными промышленными объектами, в воздух, а не на землю или в воду.

Ссылки

1. Джамбаттиста, А. 2010. Физика. Второй. Эд. Макгроу Хилл.
2. Гомес, Э. Проводимость, конвекция и излучение. Получено с: eltamiz.com.
3. Natahenao. Тепловые аппликации. Получено с: natahenao.wordpress.com.
4. Сервей, Р. Физика для науки и техники. Том 1. 7-е. Под ред. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Конвекция. Получено с: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Конвекционная термическая обработка. Получено с: fr.wikipedia.org.