Približite li ruku upaljenoj električnoj svjetiljci ili stavite dlan iznad vrućeg štednjaka, možete osjetiti kretanje toplih zračnih struja. Isti učinak može se primijetiti kada se list papira oscilira nad otvorenim plamenom. Oba učinka su objašnjena konvekcijom.
Što je to?
Fenomen konvekcije temelji se na širenju hladnije tvari u dodiru s vrućim masama. U takvim okolnostima zagrijana tvar gubi svoju gustoću i postaje lakša u usporedbi s hladnim prostorom koji je okružuje. Najtočnije, ova karakteristika fenomena odgovara kretanju toplinskih tokova kada se voda zagrijava.
Kretanje molekula u suprotnim smjerovima pod utjecajem zagrijavanja upravo je ono na čemu se temelji konvekcija. Zračenje i toplinska vodljivost su slični procesi, ali se prvenstveno tiču prijenosa toplinske energije u čvrstim tvarima.
Živopisni primjeri konvekcije - kretanje toplog zraka u sredini prostorije s grijanjemaparati, kada se zagrijani potoci kreću ispod stropa, a hladni zrak se spušta na samu površinu poda. Zato je, kada je grijanje uključeno, zrak na vrhu prostorije osjetno topliji u odnosu na dno prostorije.
Arhimedov zakon i toplinsko širenje fizičkih tijela
Da bismo razumjeli što je prirodna konvekcija, dovoljno je razmotriti proces na primjeru Arhimedovog zakona i fenomena širenja tijela pod utjecajem toplinskog zračenja. Dakle, prema zakonu, povećanje temperature nužno dovodi do povećanja volumena tekućine. Tekućina zagrijana odozdo u posudama diže se više, a vlaga veće gustoće se spušta niže. U slučaju zagrijavanja odozgo, više i manje guste tekućine će ostati na svojim mjestima, u tom slučaju se fenomen neće dogoditi.
Pojava koncepta
Izraz "konvekcija" prvi je predložio engleski znanstvenik William Prout davne 1834. godine. Koristio se za opisivanje kretanja toplinskih masa u zagrijanim, pokretnim tekućinama.
Prva teorijska istraživanja fenomena konvekcije započela su tek 1916. godine. Tijekom pokusa utvrđeno je da se prijelaz iz difuzije u konvekciju u tekućinama zagrijanim odozdo događa kada se postignu određene kritične vrijednosti temperature. Kasnije je ta vrijednost definirana kao "Roel broj". Tako je dobio ime po istraživaču koji ga je proučavao. Rezultati eksperimenata omogućili su objašnjenje kretanja toplinskih tokova pod utjecajem Arhimedovih sila.
Vrste konvekcije
Postoji nekoliko vrsta fenomena koji opisujemo - prirodna i prisilna konvekcija. Primjer kretanja tokova toplog i hladnog zraka u sredini prostorije najbolji je način za karakterizaciju procesa prirodne konvekcije. Što se tiče prisilnog, može se primijetiti pri miješanju tekućine žlicom, pumpom ili mješalicom.
Konvekcija je nemoguća kada se krute tvari zagrijavaju. To je zbog prilično snažnog međusobnog privlačenja tijekom vibracije njihovih čvrstih čestica. Kao rezultat zagrijavanja tijela čvrste strukture, ne dolazi do konvekcije i zračenja. Toplinska vodljivost zamjenjuje ove pojave u takvim tijelima i doprinosi prijenosu toplinske energije.
Takozvana kapilarna konvekcija je zasebna vrsta. Proces se događa kada se temperatura mijenja tijekom kretanja tekućine kroz cijevi. U prirodnim je uvjetima značaj takve konvekcije, uz prirodnu i prisilnu konvekciju, krajnje neznatan. Međutim, u svemirskoj tehnologiji, kapilarna konvekcija, zračenje i toplinska vodljivost materijala postaju vrlo značajni čimbenici. Čak i najslabiji konvektivni pokreti u bestežinskim uvjetima otežavaju provedbu nekih tehničkih zadataka.
Konvekcija u slojevima zemljine kore
Procesi konvekcije neraskidivo su povezani s prirodnim stvaranjem plinovitih tvari u debljini zemljine kore. Globus se može smatrati sferom koja se sastoji od nekoliko koncentričnih slojeva. U samom središtu nalazi se masivna vruća jezgra, koja je tekuća masa visoke gustoće koja sadrži željezo,nikal, kao i drugi metali.
Slojevi koji okružuju Zemljinu jezgru su litosfera i polutekući plašt. Gornji sloj globusa je izravno zemljina kora. Litosfera se formira od pojedinačnih ploča koje se slobodno kreću, krećući se duž površine tekućeg omotača. Pri neravnomjernom zagrijavanju različitih dijelova plašta i stijena, koji se razlikuju po sastavu i gustoći, nastaju konvektivni tokovi. Pod utjecajem takvih tokova dolazi do prirodne transformacije oceanskog dna i kretanja nosivih kontinenata.
Razlike između konvekcije i provođenja topline
Toplinsku vodljivost treba shvatiti kao sposobnost fizičkih tijela da prenose toplinu kroz kretanje atomskih i molekularnih spojeva. Metali su izvrsni provodnici topline, jer su njihove molekule u bliskom kontaktu jedna s drugom. Naprotiv, plinovite i hlapljive tvari djeluju kao loši provodnici topline.
Kako se događa konvekcija? Fizika procesa temelji se na prijenosu topline zbog slobodnog kretanja mase molekula tvari. Zauzvrat, toplinska vodljivost se sastoji isključivo u prijenosu energije između sastavnih čestica fizičkog tijela. Međutim, oba procesa su nemoguća bez prisutnosti čestica materije.
Primjeri fenomena
Najjednostavniji i najrazumljiviji primjer konvekcije je postupak običnog hladnjaka. Cirkulacijaohlađeni plin freon kroz cijevi rashladne komore dovodi do smanjenja temperature gornjih slojeva zraka. Sukladno tome, zamjenjujući ih toplijim tokovima, hladni tonu prema dolje i tako hlade proizvode.
Rešetka koja se nalazi na stražnjoj ploči hladnjaka igra ulogu elementa koji olakšava uklanjanje toplog zraka koji nastaje u kompresoru jedinice tijekom kompresije plina. Mrežno hlađenje također se temelji na konvektivnim mehanizmima. Upravo iz tog razloga nije preporučljivo zatrpati prostor iza hladnjaka. Uostalom, samo u ovom slučaju hlađenje se može dogoditi bez poteškoća.
Drugi primjeri konvekcije mogu se vidjeti promatranjem takvog prirodnog fenomena kao što je kretanje vjetra. Zagrijavajući se nad sušnim kontinentima i hlađenjem na oštrijim terenima, zračne struje počinju se pomicati jedna drugu, uzrokujući njihovo kretanje, kao i pomicanje vlage i energije.
Mogućnost letećih ptica i jedrilica vezana je za konvekciju. Manje guste i toplije zračne mase, uz neravnomjerno zagrijavanje u blizini Zemljine površine, dovode do stvaranja uzlaznih struja, što pridonosi procesu uzletanja. Za prevladavanje maksimalnih udaljenosti bez trošenja snage i energije, pticama je potrebna sposobnost pronalaženja takvih potoka.
Dobri primjeri konvekcije su stvaranje dima u dimnjacima i vulkanskim kraterima. Kretanje dima prema gore temelji se na njegovoj višoj temperaturi i nižoj gustoći u usporedbi s okolinom. Kako se dim hladi, postupno se taloži u niže slojeve atmosfere. Upravo iz ovog razlogaindustrijske cijevi, kroz koje se štetne tvari ispuštaju u atmosferu, napravljene su što je više moguće.
Najčešći primjeri konvekcije u prirodi i tehnologiji
Među najjednostavnijim, lako razumljivim primjerima koji se mogu promatrati u prirodi, svakodnevnom životu i tehnologiji treba istaknuti:
- protok zraka tijekom rada kućanskih baterija za grijanje;
- formiranje i kretanje oblaka;
- proces kretanja vjetra, monsuna i povjetarca;
- pomak tektonskih zemljanih ploča;
- procesi koji dovode do stvaranja slobodnog plina.
Kuhanje
Fenomen konvekcije se sve više ostvaruje u modernim kućanskim aparatima, posebice u pećnicama. Plinski ormarić s konvekcijom omogućuje kuhanje različitih jela u isto vrijeme na različitim razinama na različitim temperaturama. Time se potpuno eliminira miješanje okusa i mirisa.
Tradicionalna pećnica se oslanja na jedan plamenik za zagrijavanje zraka, što rezultira neravnomjernom raspodjelom topline. Zbog namjernog kretanja struja vrućeg zraka uz pomoć specijaliziranog ventilatora, jela u konvekcijskoj pećnici ispadaju sočnija i bolje pečena. Takvi se uređaji brže zagrijavaju, što skraćuje vrijeme potrebno za kuhanje.
Naravno, za domaćice koje kuhaju u pećnici samo nekoliko puta godišnje, kućanski aparat sfunkcija konvekcije ne može se nazvati tehnikom prve nužde. Međutim, za one koji ne mogu živjeti bez kulinarskih eksperimenata, takav uređaj će postati jednostavno nezamjenjiv u kuhinji.
Nadamo se da vam je predstavljeni materijal bio koristan. Sretno!
