KONVEKTIO: OMINAISUUDET, ESIMERKIT, SOVELLUKSET - FYYSINEN - 2026

Konvektion on yksi kolmesta mekanismista, että lämpö siirtyy alueelta toiselle lämpimämpi jäähdytin. Se tapahtuu nesteen massan liikkumisen takia, joka voi olla neste tai kaasu. Joka tapauksessa materiaalin väliaine vaaditaan aina tämän mekanismin toteuttamiseksi.

Mitä nopeammin kyseinen neste liikkuu, sitä nopeammin lämpöenergia siirtyy eri lämpötilojen alueiden välillä. Näin tapahtuu jatkuvasti ilmakehän ilmamassojen kanssa: kelluvuus varmistaa, että lämpimät ja vähemmän tiheät nousevat, kun taas kylmempi ja tiheämpi laskeutuu.

Kuva 1. Huone jäähdytetään avaamalla ovi, koska kuumempi ilma (punainen nuoli) ja vähemmän tiheä nousee ja karkaa siitä. Lähde: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Esimerkki tästä on kuvan suljettu huone, joka jäähdytetään heti, kun ovet tai ikkunat avataan, koska sisäpuolelta tuleva kuuma ilma pääsee jopa halkeamien läpi, antaen raitista ilmaa ulkopuolelta, mikä pysyy enemmän alas.

Konvektion tyypit

Luonnollinen ja pakotettu konvektio

Kuva 2. Esimerkkejä pakotetusta ja luonnollisesta konvektiosta. Lähde: Cengel, Y. Termodynamiikka.

Konvektio voi olla luonnollinen tai pakko. Ensimmäisessä tapauksessa neste liikkuu itsestään, kuten kun avataan ovea huoneeseen, kun taas toisessa vaiheessa sitä pakottaa esimerkiksi tuuletin tai pumppu.

Diffuusio ja advektio

Niitä voi myös olla kaksi: diffuusio ja advektio. Difuusiona nesteen molekyylit liikkuvat enemmän tai vähemmän satunnaisesti ja lämmön siirto on hidasta.

Toisaalta advektiona liikkuu hyvä määrä nestemassaa, joka voidaan saavuttaa pakottamalla konvektio esimerkiksi tuulettimella. Mutta advektion etuna on, että se on paljon nopeampaa kuin diffuusio.

¿

Yksinkertainen matemaattinen malli konvektiivisesta lämmönsiirrosta on Newtonin jäähdytyslaki. Harkitse alueen A kuumaa pintaa, jota ympäröi viileämpi ilma, niin että lämpötilaero on pieni.

Kutsumme lämmitettyä lämpöä Q ja aikaa t. Lämmönsiirtonopeus on dQ / dt tai johdettu funktiosta Q (t) ajan suhteen.

Koska lämpö on lämpöenergiaa, sen yksiköt kansainvälisessä järjestelmässä ovat jouleja (J), joten siirtonopeus tulee jouleina sekunnissa, jotka ovat wattia tai wattia (W).

Tämä nopeus on suoraan verrannollinen kuuman esineen ja väliaineen lämpötilaeroon, jota merkitään nimellä AT ja myös esineen pinta-alaan A:

Suhteellisuusvakiota kutsutaan h: ksi, joka on lämmönsiirtokerroin konvektiolla ja määritetään kokeellisesti. Sen yksiköt kansainvälisessä järjestelmässä (SI) ovat W / m ². K, mutta on yleistä löytää se Celsius-asteina tai celsiusasteina.

On tärkeää huomata, että tämä kerroin ei ole juoksevuusominaisuus, koska se riippuu useista muuttujista, kuten pinnan geometriasta, nesteen nopeudesta ja muista ominaisuuksista.

Yhdistämällä kaikki edellä mainitut, matemaattisesti Newtonin jäähdytyslaki on muodossa:

Newtonin jäähdytyslain soveltaminen

Henkilö seisoo huoneen keskellä 20 ° C: n lämpötilassa, jonka läpi puhaltaa pieni tuuli. Kuinka paljon lämpöä ihminen siirtää ympäristöön konvektiolla? Oletetaan, että paljaana oleva pinta-ala on 1,6 m ² ja ihon pintalämpötila 29 ºC.

Tosiasia: konvektiolämmönsiirtokerroin on tässä tapauksessa 6 W / m ². ºC

Ratkaisu

Henkilö voi siirtää lämpöä ympäröivään ilmaan, koska se on liikkeessä tuulen puhallettaessa. Löydä siirtonopeus dQ / dt yksinkertaisesti kytkemällä arvot Newtonin yhtälöön jäähdytystä varten:

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

Esimerkkejä konvektiosta

Lämmitä kädet nuotion yli

On tavallista, että lämmität kädet nostamalla ne lähelle nuotion tai kuumaa leivänpaahdinta, sillä lämpö lämmönlähteen ympärillä puolestaan ​​kuumenee ja laajenee, nouseen, koska se on vähemmän tiheä. Kiertäessään tämä kuuma ilma kääri ja lämmittää käsiäsi.

Kuva 3. Yksi tapa lämmittää käsiä on tulipalon ilmaan luoman konvektiovirtauksen kautta. Lähde: Pxfuel.

Ilmavirta rannikolla

Rannikolla meri on kylmempää kuin maa, joten maan yläpuolella oleva ilma lämpenee ja nousee, kun taas kylmempi ilma saapuu ja asettuu nousemaan tämän toisen jättämään tilaan.

Tätä kutsutaan konvektiosoluksi, ja se on syy, miksi se tuntuu viileämmältä merelle katsellen ja tuuli puhaltaa kasvojasi kuumana päivänä. Yöllä tapahtuu päinvastoin, mahtavaa tuulta tulee.

Vesikierto

Luonnollinen konvektio tapahtuu valtameren rannikkojen ilmassa hydrologisen syklin läpi, jossa vesi lämmitetään ja haihdutetaan aurinkosäteilyn ansiosta. Näin muodostunut vesihöyry nousee, jäähtyy ja kondensoituu pilviksi, joiden massat kasvavat ja nousevat konvektiolla.

Lisäämällä vesipisaroiden kokoa tulee aika, jolloin vesi saostuu sateen, kiinteän tai nestemäisenä, lämpötilasta riippuen.

Keitä vesi astiassa

Kun vesi asetetaan vedenkeittimeen tai kattilaan, pohjaa lähinnä olevat kerrokset lämmitetään ensin, koska polttimen liekki tai lämpö on lähinnä. Sitten vesi laajenee ja sen tiheys pienenee, joten se nousee ja kylmempi vesi ottaa paikkansa säiliön pohjassa.

Kuva 4. Veden lämmitys konvektiolla. Lähde: wikimedia Commons. Käyttäjä: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Tällä tavalla kaikki kerrokset kiertävät nopeasti ja koko vesistö lämpenee. Tämä on hyvä esimerkki advektiosta.

Tuulen tuotanto

Ilmamassojen konvektio yhdessä maan pyörimisliikkeen kanssa tuottaa tuulia, kun kylmä ilma liikkuu ja kiertää kuuman ilman alla muodostaen erilaisia ​​virtauksia, joita kutsutaan konvektiovirtauksiksi.

merivirrat

Vesi käyttäytyy samalla tavalla kuin ilma toimii ilmakehässä. Lämpimämpi vesi on melkein aina lähellä pintaa, kun taas kylmempi vesi on syvempää.

Dinamo-vaikutus

Se esiintyy planeetan sisällä olevassa sulassa ytimessä, missä se yhdistyy maapallon pyörimisliikkeeseen, jolloin syntyy sähkövirtoja, jotka aiheuttavat maapallon magneettikentän.

Energian siirto tähtiin

Tähdet kuten aurinko ovat valtavia kaasupalloja. Konvektio on siellä tehokas energiankuljetusmekanismi, koska kaasumaisilla molekyyleillä on riittävä vapaus liikkua tähtiä sisältävien alueiden välillä.

Konvektion sovellukset

ilmastointilaitteet

Ilmastointilaite sijoitetaan lähellä huoneiden kattoa, jotta tiheämpi jäähdytetty ilma laskeutuu ja jäähtyy nopeasti lähemmäksi lattiaa.

Lämmönvaihtimet

Se on laite, joka sallii lämmön siirron nesteestä toiseen ja on esimerkiksi autojen ilmastointilaitteiden ja jäähdytysmekanismien toimintaperiaate.

Lämmöneristimet rakennuksissa

Ne valmistetaan yhdistämällä eristemateriaaliarkkeja ja lisäämällä ilmakuplia sisälle.

jäähdytys tornit

Niitä kutsutaan myös jäähdytystorniksi ja niiden tarkoituksena on johtaa ydinvoimaloiden, öljynjalostamoiden ja muiden teollisuuslaitosten tuottamaa lämpöä ilmaan maan tai veden sijasta.

Viitteet

1. Giambattista, A. 2010. Fysiikka. 2nd. Toimittaja McGraw Hill.
2. Gómez, E. Johtaminen, konvektio ja säteily. Palautettu osoitteesta: eltamiz.com.
3. Natahenao. Lämpösovellukset. Palautettu osoitteesta: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Nide 1. 7.. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konvektion. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvektion lämpötila. Palautettu osoitteesta: fr.wikipedia.org.