Ako svoju ruku približite upaljenoj električnoj lampi ili stavite dlan preko vruće peći, možete osjetiti kretanje toplih vazdušnih struja. Isti efekat se može uočiti kada se list papira oscilira iznad otvorenog plamena. Oba efekta se objašnjavaju konvekcijom.
Šta je to?
Fenomen konvekcije zasniva se na širenju hladnije supstance u kontaktu sa vrućim masama. U takvim okolnostima zagrijana tvar gubi svoju gustinu i postaje lakša u odnosu na hladni prostor koji je okružuje. Najtačnije, ova karakteristika fenomena odgovara kretanju toplotnih tokova kada se voda zagreje.
Kretanje molekula u suprotnim smjerovima pod utjecajem zagrijavanja je upravo ono na čemu se zasniva konvekcija. Zračenje i toplotna provodljivost su slični procesi, ali se prvenstveno tiču prenosa toplotne energije u čvrstim materijama.
Živopisni primjeri konvekcije - kretanje toplog zraka u sredini prostorije sa grijanjemaparata, kada se zagrijani mlazovi kreću ispod plafona, a hladni vazduh se spušta na samu površinu poda. Zato je, kada je grejanje uključeno, vazduh na vrhu prostorije primetno topliji u odnosu na dno prostorije.
Arhimedov zakon i toplotno širenje fizičkih tela
Da bismo razumeli šta je prirodna konvekcija, dovoljno je razmotriti proces na primeru Arhimedovog zakona i fenomena širenja tela pod uticajem toplotnog zračenja. Dakle, prema zakonu, povećanje temperature nužno dovodi do povećanja zapremine tečnosti. Tečnost koja se zagreva odozdo u posudama diže se više, a vlaga veće gustine, respektivno, ide niže. U slučaju zagrevanja odozgo, više i manje guste tečnosti će ostati na svojim mestima, u kom slučaju se fenomen neće desiti.
Pojava koncepta
Termin "konvekcija" prvi je predložio engleski naučnik William Prout još 1834. godine. Korišćen je za opisivanje kretanja toplotnih masa u zagrejanim, pokretnim tečnostima.
Prva teorijska istraživanja fenomena konvekcije započela su tek 1916. godine. Tokom eksperimenata je utvrđeno da se prijelaz iz difuzije u konvekciju u tekućinama zagrijanim odozdo događa kada se postignu određene kritične vrijednosti temperature. Kasnije je ova vrijednost definirana kao "Roel broj". Tako je dobio ime po istraživaču koji ga je proučavao. Rezultati eksperimenata su omogućili da se objasni kretanje toplotnih tokova pod uticajem Arhimedovih sila.
Vrste konvekcije
Postoji nekoliko vrsta fenomena koji opisujemo - prirodna i prisilna konvekcija. Primjer kretanja tokova toplog i hladnog zraka u sredini prostorije je najbolji način da se okarakteriše proces prirodne konvekcije. Što se tiče prinudnog, to se može primetiti pri mešanju tečnosti kašikom, pumpom ili mešalicom.
Konvekcija je nemoguća kada se čvrste materije zagreju. To je zbog prilično snažnog međusobnog privlačenja tokom vibracije njihovih čvrstih čestica. Kao rezultat zagrijavanja tijela čvrste strukture, ne dolazi do konvekcije i zračenja. Toplotna provodljivost zamjenjuje ove pojave u takvim tijelima i doprinosi prijenosu toplinske energije.
Takozvana kapilarna konvekcija je poseban tip. Proces se javlja kada se temperatura mijenja tokom kretanja fluida kroz cijevi. U prirodnim uslovima značaj takve konvekcije je, uz prirodnu i prisilnu konvekciju, krajnje neznatan. Međutim, u svemirskoj tehnologiji, kapilarna konvekcija, zračenje i toplotna provodljivost materijala postaju veoma značajni faktori. Čak i najslabiji konvektivni pokreti u bestežinskim uslovima otežavaju implementaciju nekih tehničkih zadataka.
Konvekcija u slojevima zemljine kore
Procesi konvekcije su neraskidivo povezani sa prirodnim stvaranjem gasovitih materija u debljini zemljine kore. Globus se može posmatrati kao sfera koja se sastoji od nekoliko koncentričnih slojeva. U samom centru nalazi se masivno vruće jezgro, koje je tečna masa visoke gustine koja sadrži gvožđe,nikl, kao i drugi metali.
Slojevi koji okružuju Zemljino jezgro su litosfera i polutečni omotač. Gornji sloj globusa je direktno Zemljina kora. Litosfera se formira od pojedinačnih ploča koje se slobodno kreću, krećući se duž površine tečnog omotača. Prilikom neravnomjernog zagrijavanja različitih dijelova plašta i stijena, koji se razlikuju po sastavu i gustoći, nastaju konvektivna strujanja. Pod uticajem takvih tokova dolazi do prirodne transformacije okeanskog dna i kretanja nosećih kontinenata.
Razlike između konvekcije i provođenja toplote
Toplotnu provodljivost treba shvatiti kao sposobnost fizičkih tijela da prenose toplinu putem kretanja atomskih i molekularnih jedinjenja. Metali su odlični provodnici toplote, jer su njihovi molekuli u bliskom kontaktu jedni s drugima. Naprotiv, gasovite i isparljive supstance deluju kao loši provodnici toplote.
Kako se dešava konvekcija? Fizika procesa temelji se na prijenosu topline zbog slobodnog kretanja mase molekula tvari. Zauzvrat, toplinska provodljivost se sastoji isključivo u prijenosu energije između sastavnih čestica fizičkog tijela. Međutim, oba procesa su nemoguća bez prisustva čestica materije.
Primjeri fenomena
Najjednostavniji i najrazumljiviji primjer konvekcije je proces običnog hladnjaka. Cirkulacijaohlađeni plin freon kroz cijevi rashladne komore dovodi do smanjenja temperature gornjih slojeva zraka. Shodno tome, zamjenjujući ih toplijim tokovima, hladni tonu prema dolje i tako hlade proizvode.
Rešetka koja se nalazi na zadnjoj strani frižidera igra ulogu elementa koji olakšava uklanjanje toplog vazduha koji se formira u kompresoru jedinice tokom kompresije gasa. Mrežno hlađenje se također zasniva na konvektivnim mehanizmima. Iz tog razloga se ne preporučuje zatrpavanje prostora iza frižidera. 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 hladeći se na oštrijim terenima, vazdušne struje počinju da se pomiču jedna drugu, uzrokujući njihovo kretanje, kao i da pokreću vlagu i energiju.
Mogućnost letećih ptica i jedrilica vezana je za konvekciju. Manje guste i toplije zračne mase, uz neravnomjerno zagrijavanje u blizini površine Zemlje, dovode do stvaranja uzlaznih struja, što doprinosi procesu uzdizanja. Da bi savladale maksimalne udaljenosti bez trošenja snage i energije, pticama je potrebna sposobnost da pronađu takve potoke.
Dobri primjeri konvekcije su stvaranje dima u dimnjacima i vulkanskim kraterima. Kretanje dima prema gore zasniva se na njegovoj višoj temperaturi i nižoj gustini u odnosu na okolinu. Kako se dim hladi, postepeno se taloži u niže slojeve atmosfere. Upravo iz ovog razlogaindustrijske cijevi, kroz koje se štetne tvari ispuštaju u atmosferu, napravljene su što je moguće više.
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 vazduha tokom rada baterija za grejanje u domaćinstvu;
- formiranje i kretanje oblaka;
- proces kretanja vjetra, monsuna i povjetarca;
- pomak tektonskih zemljanih ploča;
- procesi koji dovode do stvaranja slobodnog gasa.
Kuvanje
Fenomen konvekcije se sve više ostvaruje u savremenim kućanskim aparatima, posebno u pećnicama. Plinski ormarić sa konvekcijom omogućava vam da istovremeno kuhate različita jela na različitim nivoima na različitim temperaturama. Ovo potpuno eliminiše mešanje ukusa 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 smanjuje vrijeme potrebno za kuhanje.
Naravno, za domaćice koje kuvaju u rerni samo nekoliko puta godišnje, kućni aparat safunkcija 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!
