KONVEKCIJA: KARAKTERISTIKE, PRIMJERI, PRIMJENE - FIZIČKA - 2024

Konvekcija je jedan od tri mehanizama da se toplina prenosi iz jedne zone u drugu toplije hladnjak. To se događa zbog kretanja mase tekućine, koja može biti tekućina ili plin. U svakom slučaju, za ovaj mehanizam uvijek je potreban materijalni medij.

Što je brže kretanje dotične tekućine, brži je prijenos toplinske energije između zona različitih temperatura. To se događa kontinuirano s atmosferskim zračnim masama: uzdržanost osigurava da se toplije i manje guste dižu, dok hladnije i gušće spuštaju.

Slika 1. Prostor se hladi otvaranjem vrata jer se vrući zrak (crvena strelica) i manje gusti diže i izlazi iz njega. Izvor: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Primjer za to je zatvorena soba na slici, koja se odmah osvježava čim se otvore vrata ili prozori, jer vrući zrak iznutra izlazi čak i kroz pukotine, ustupajući svježem zraku izvana koji ostaje više prema dolje.

Vrste konvekcije

Prirodna i prisilna konvekcija

Slika 2. Primjeri prisilne konvekcije i prirodne konvekcije. Izvor: Cengel, Y. Termodinamika.

Konvekcija može biti prirodna ili prisilna. U prvom slučaju se tekućina kreće sama od sebe, kao kad se otvaraju vrata prostorije, dok je u drugom, na primjer, prisiljava ventilator ili pumpa.

Difuzija i advekcija

Također mogu biti dvije varijante: difuzija i advekcija. U difuziji se molekule tekućine kreću manje ili više nasumično, a prijenos topline je spor.

Suprotno tome, advekcijom se kreće dobra količina tekuće mase, što se može postići, na primjer, konvekcijom pomoću ventilatora. Ali prednost advekcije je u tome što je mnogo brža od difuzije.

¿

Jednostavan matematički model konvektivnog prijenosa topline Newtonov je zakon hlađenja. Uzmite u obzir vruću površinu područja A, okruženu hladnijim zrakom, tako da je razlika u temperaturi mala.

Nazovimo toplinu koja se prenosi Q i vrijeme t. Brzina kojom se prenosi toplina je dQ / dt ili se dobiva iz funkcije Q (t) s obzirom na vrijeme.

Budući da je toplina toplinska energija, njegove jedinice u Međunarodnom sustavu su džulovi (J), pa brzina prijenosa dolazi u džulima / sekundi, što su vati ili vati (W).

Ova brzina je izravno proporcionalna temperaturnoj razlici između vrućeg objekta i medija, koja je označena kao ΔT, a također i površine A objekta:

Konstanta proporcionalnosti naziva se h, što je koeficijent prijenosa topline konvekcijom i određuje se eksperimentalno. Njegove jedinice u Međunarodnom sustavu (SI) su W / m ². K, ali uobičajeno ga je pronaći u stupnjevima Celzijusa ili Celzijusa.

Važno je napomenuti da ovaj koeficijent nije svojstvo fluida jer ovisi o nekoliko varijabli, poput geometrije površine, brzine fluida i drugih karakteristika.

Kombinirajući sve gore navedeno, matematički Newtonov zakon hlađenja poprima ovaj oblik:

Primjena Newtonovog zakona hlađenja

Osoba stoji usred prostorije 20 ° C kroz koju puše lagani povjetarac. Kolika je brzina topline koju osoba konvekcijom prenosi u okoliš? Pretpostavimo da je izložena površina 1,6 m ^2, a temperatura kože 29 ° C.

Činjenica: koeficijent prolaska toplinske konvekcije u ovom slučaju je 6 W / m ². ºC

Riješenje

Osoba može prenositi toplinu u zrak oko sebe, jer je u pokretu kad puše povjetarac. Da biste pronašli brzinu prijenosa dQ / dt, jednostavno priključite vrijednosti u Newtonovu jednadžbu radi hlađenja:

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

Primjeri konvekcije

Zagrijte ruke oko logorske vatre

Uobičajeno je zagrijati ruke tako da ih približite logorskoj vatri ili vrućem tosteru, jer se zrak oko izvora topline zauzvrat zagrijava i širi, dižući se jer je manje gust. Dok cirkulira, ovaj vrući zrak omotava i grije vaše ruke.

Slika 3. Jedan od načina zagrijavanja ruku je putem konvekcijske struje koju u zraku stvara vatra. Izvor: Pxfuel.

Protok zraka na obali

Na obali je more hladnije od kopna, pa se zrak iznad kopna zagrijava i diže, dok hladniji zrak dopire i naseljava se u prostoru koji je ostao ovaj drugi prilikom uspona.

To se naziva konvekcijska ćelija i razlog je zašto se osjeća hladnije kad gledate u more, a povjetarac puše po licu vrućeg dana. Noću se događa suprotno, svjež povjetarac dolazi s kopna.

Vodeni ciklus

Prirodna konvekcija događa se u zraku oceanskih obala, kroz hidrološki ciklus u kojem se voda zagrijava i isparava zahvaljujući sunčevom zračenju. Tako vodena para nastaje, hladi se i kondenzira u oblake, čija se masa povećava i povećava konvekcijom.

Kako se povećava veličina kapljica vode, dolazi vrijeme kada voda pada u obliku kiše, krute ili tekuće, ovisno o temperaturi.

U posudi prokuhajte vodu

Kad se voda stavi u čajnik ili posudu, najprije se zagrijavaju slojevi koji su najbliži dnu, jer je plamen ili toplina iz plamenika najbliža. Tada se voda širi i gustoća joj se smanjuje, pa se diže i hladnija voda zauzima svoje mjesto na dnu posude.

Slika 4. Grijanje vode konvekcijom. Izvor: wikimedia Commons. Korisnik: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Na taj način svi slojevi brzo cirkuliraju i čitavo se tijelo vode zagrijava. Ovo je dobar primjer advekcije.

Generacija vjetra

Konvekcija u zračnim masama, zajedno sa rotacijskim gibanjem Zemlje, proizvodi vjetrove, dok se hladni zrak kreće i cirkulira ispod vrućeg zraka, stvarajući razne struje nazvane konvekcijske struje.

Oceanske struje

Voda se ponaša na sličan način kao i zrak u atmosferi. Toplije vode gotovo su uvijek u blizini površine, dok su hladnije vode dublje.

Dinamov efekt

Javlja se u rastaljenoj jezgri unutar planete, gdje se kombinira s Zemljinim rotacijskim kretanjem, stvarajući električne struje koje potiču Zemljino magnetsko polje.

Prijenos energije unutar zvijezda

Zvijezde poput Sunca su ogromne sfere plina. Konvekcija je tamo učinkovit mehanizam transporta energije, jer plinovite molekule imaju dovoljno slobode za kretanje između područja unutrašnjosti zvijezda.

Primjene konvekcije

klima uređaji

Klima uređaj se postavlja blizu stropa soba, tako da se ohlađeni zrak, koji je gušći, spušta i hladi bliže podu.

Izmjenjivači topline

To je uređaj koji omogućuje prijenos topline iz jedne tekućine u drugu, na primjer, princip rada klima uređaja i rashladnih mehanizama automobilskog motora.

Toplinski izolatori u zgradama

Izrađene su kombiniranjem listova izolacijskog materijala i dodavanjem mjehurića zraka iznutra.

rashladni tornjevi

Nazvane rashladnim tornjevima, služe za uklanjanje topline proizvedene u nuklearnim elektranama, rafinerijama nafte i drugim raznim industrijskim postrojenjima u zrak, umjesto u zemlju ili u vodu.

Reference

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Provođenje, konvekcija i zračenje. Oporavilo od: eltamiz.com.
3. Natahenao. Primjene topline. Oporavilo od: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konvekcija. Oporavilo sa: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvekcijski termik. Oporavilo sa: fr.wikipedia.org.