Če roko približate vklopljeni električni žarnici ali položite dlan nad vroč štedilnik, lahko začutite gibanje tokov toplega zraka. Enak učinek lahko opazimo, ko list papirja niha nad odprtim ognjem. Oba učinka sta razložena s konvekcijo.
Kaj je?
Fenomen konvekcije temelji na širjenju hladnejše snovi v stiku z vročimi masami. V takih okoliščinah segreta snov izgubi svojo gostoto in postane lažja v primerjavi s hladnim prostorom, ki jo obdaja. Natančneje, ta značilnost pojava ustreza gibanju toplotnih tokov, ko se voda segreje.
Premikanje molekul v nasprotnih smereh pod vplivom segrevanja je ravno tisto, na čemer temelji konvekcija. Sevanje in toplotna prevodnost sta podobna procesa, vendar se nanašata predvsem na prenos toplotne energije v trdnih snoveh.
Živi primeri konvekcije - gibanje toplega zraka sredi sobe z ogrevanjemaparati, ko se segreti tokovi premikajo pod stropom, hladen zrak pa se spusti na samo površino tal. Zato je ob vključenem ogrevanju zrak na vrhu prostora opazno toplejši kot na dnu prostora.
Arhimedov zakon in toplotna ekspanzija fizičnih teles
Da bi razumeli, kaj je naravna konvekcija, je dovolj, da razmislimo o procesu na primeru Arhimedovega zakona in pojava raztezanja teles pod vplivom toplotnega sevanja. Torej, po zakonu zvišanje temperature nujno vodi do povečanja prostornine tekočine. Tekočina, segreta od spodaj v posodah, se dvigne višje, vlaga z večjo gostoto pa se premakne nižje. V primeru segrevanja od zgoraj bodo na svojih mestih ostale bolj in manj goste tekočine, v tem primeru do pojava ne bo prišlo.
Pojav koncepta
Izraz "konvekcija" je prvi predlagal angleški znanstvenik William Prout leta 1834. Uporabljali so ga za opis gibanja toplotnih mas v segretih, premikajočih se tekočinah.
Prve teoretične študije pojava konvekcije so se začele šele leta 1916. Med poskusi je bilo ugotovljeno, da se prehod iz difuzije v konvekcijo v tekočinah, ogretih od spodaj, zgodi, ko so dosežene določene kritične temperaturne vrednosti. Kasneje je bila ta vrednost opredeljena kot "številka Roel". Tako je dobil ime po raziskovalcu, ki ga je preučeval. Rezultati poskusov so omogočili razlago gibanja toplotnih tokov pod vplivom Arhimedovih sil.
Vrste konvekcije
Obstaja več vrst pojava, ki ga opisujemo - naravna in prisilna konvekcija. Primer gibanja tokov vročega in hladnega zraka v sredini prostora je najboljši način za karakterizacijo procesa naravne konvekcije. Kar zadeva prisilno, jo lahko opazimo pri mešanju tekočine z žlico, črpalko ali mešalnikom.
Konvekcija je nemogoča, če se trdne snovi segrejejo. To je posledica precej močne vzajemne privlačnosti med vibracijami njihovih trdnih delcev. Zaradi segrevanja trdnih strukturnih teles ne pride do konvekcije in sevanja. Toplotna prevodnost nadomešča te pojave v takšnih telesih in prispeva k prenosu toplotne energije.
Tako imenovana kapilarna konvekcija je ločena vrsta. Proces se pojavi, ko se temperatura med gibanjem tekočine skozi cevi spremeni. V naravnih razmerah je pomen takšne konvekcije, skupaj z naravno in prisilno konvekcijo, izjemno nepomemben. Vendar pa v vesoljski tehnologiji kapilarna konvekcija, sevanje in toplotna prevodnost materialov postanejo zelo pomembni dejavniki. Tudi najšibkejši konvektivni gibi v breztežnih pogojih otežujejo izvajanje nekaterih tehničnih nalog.
Konvekcija v plasteh zemeljske skorje
Procesi konvekcije so neločljivo povezani z naravnim nastajanjem plinastih snovi v debelini zemeljske skorje. Globus lahko obravnavamo kot kroglo, sestavljeno iz več koncentričnih plasti. V samem središču je masivno vroče jedro, ki je tekoča masa visoke gostote, ki vsebuje železo,nikelj, pa tudi druge kovine.
Obkrožajoča plasti za zemeljsko jedro sta litosfera in poltekoči plašč. Zgornja plast globusa je neposredno zemeljska skorja. Litosfera je oblikovana iz posameznih plošč, ki se prosto gibljejo in se gibljejo vzdolž površine tekočega plašča. Pri neenakomernem segrevanju različnih delov plašča in kamnin, ki se razlikujejo po sestavi in gostoti, nastanejo konvektivni tokovi. Pod vplivom takšnih tokov pride do naravnega preoblikovanja oceanskega dna in gibanja nosilnih celin.
Razlike med konvekcijo in toplotno prevodnostjo
Toplotno prevodnost je treba razumeti kot sposobnost fizičnih teles, da prenašajo toploto s gibanjem atomskih in molekularnih spojin. Kovine so odlični prevodniki toplote, saj so njihove molekule v tesnem stiku med seboj. Nasprotno, plinaste in hlapne snovi delujejo kot slabi prevodniki toplote.
Kako pride do konvekcije? Fizika procesa temelji na prenosu toplote zaradi prostega gibanja mase molekul snovi. Po drugi strani je toplotna prevodnost sestavljena izključno iz prenosa energije med sestavnimi delci fizičnega telesa. Vendar sta oba procesa nemogoča brez prisotnosti delcev snovi.
Primeri pojava
Najenostavnejši in najbolj razumljiv primer konvekcije je postopek običajnega hladilnika. Kroženjeohlajen plin freon skozi cevi hladilne komore vodi do znižanja temperature zgornjih plasti zraka. V skladu s tem, ko jih nadomestijo toplejši tokovi, se hladni potopijo in tako ohladijo izdelke.
Rešetka, ki se nahaja na zadnji strani hladilnika, igra vlogo elementa, ki olajša odvajanje toplega zraka, ki nastane v kompresorju enote med stiskanjem plina. Mrežno hlajenje temelji tudi na konvektivnih mehanizmih. Prav zaradi tega ni priporočljivo zatrpati prostora za hladilnikom. Konec koncev, samo v tem primeru lahko pride do hlajenja brez težav.
Druge primere konvekcije je mogoče videti z opazovanjem takega naravnega pojava, kot je gibanje vetra. Zračni tokovi se pri segrevanju nad sušnimi celinami in ohlajanju na tršem terenu začnejo izpodrivati drug drugega, zaradi česar se premikajo ter premikajo vlago in energijo.
Možnost lebdenja ptic in jadralnih letal je vezana na konvekcijo. Manj goste in toplejše zračne mase z neenakomernim segrevanjem v bližini zemeljske površine vodijo do nastanka naraščajočih tokov, kar prispeva k procesu vzpenjanja. Da bi ptice premagale največje razdalje brez porabe moči in energije, potrebujejo sposobnost iskanja takšnih tokov.
Dobri primeri konvekcije so nastajanje dima v dimnikih in vulkanskih kraterjih. Gibanje dima navzgor temelji na njegovi višji temperaturi in manjši gostoti v primerjavi z okolico. Ko se dim ohlaja, se postopoma usede v nižje plasti ozračja. Ravno zaradi tega razlogaindustrijske cevi, po katerih se v ozračje sproščajo škodljive snovi, so narejene čim višje.
Najpogostejši primeri konvekcije v naravi in tehnologiji
Med najenostavnejšimi, lahko razumljivimi primeri, ki jih lahko opazujemo v naravi, vsakdanjem življenju in tehnologiji, naj izpostavimo:
- pretok zraka med delovanjem gospodinjskih ogrevalnih baterij;
- nastajanje in gibanje oblakov;
- proces gibanja vetra, monsunov in vetrov;
- premik tektonskih zemeljskih plošč;
- procesi, ki vodijo do prostega nastajanja plina.
kuhanje
Fenomen konvekcije se vse pogosteje uresničuje v sodobnih gospodinjskih aparatih, zlasti v pečicah. Plinska omarica s konvekcijo vam omogoča kuhanje različnih jedi hkrati na ločenih nivojih pri različnih temperaturah. To popolnoma odpravi mešanje okusov in vonjev.
Tradicionalna pečica se za ogrevanje zraka zanaša na en sam gorilnik, kar ima za posledico neenakomerno porazdelitev toplote. Zaradi namenskega premikanja tokov vročega zraka s pomočjo specializiranega ventilatorja se jedi v konvekcijski pečici izkažejo za bolj sočne in bolje pečene. Takšne naprave se hitreje segrejejo, kar skrajša čas, potreben za kuhanje.
Seveda za gospodinje, ki kuhajo v pečici le nekajkrat na leto, gospodinjski aparat zfunkcije konvekcije ne moremo imenovati tehnika prve nujnosti. Za tiste, ki ne morejo živeti brez kulinaričnih eksperimentov, bo takšna naprava postala preprosto nepogrešljiva v kuhinji.
Upamo, da vam je bilo predstavljeno gradivo koristno. Vso srečo!
