KONVEKCIJA: CHARAKTERISTIKOS, PAVYZDŽIAI, PRITAIKYMAI - FIZINIS - 2025

Konvekcija yra vienas iš trijų mechanizmų, kad šiluma yra perduodama iš vienos zonos į kitą šiltesnio aušintuvo. Tai vyksta dėl skysčio, kuris gali būti skystis ar dujos, masės judėjimo. Bet kokiu atveju, kad šis mechanizmas vyktų, visada reikalinga materiali terpė.

Kuo greitesnis atitinkamo skysčio judėjimas, tuo greitesnis šiluminės energijos perdavimas tarp skirtingų temperatūrų zonų. Tai vyksta nuolat su atmosferos oro masėmis: plūdrumas užtikrina, kad šiltesnės ir mažiau tankios pakils, o šaltesnės ir tankesnės nusileis.

1 pav. Kambarys aušinamas atidarius duris, nes karštas oras (raudona rodyklė) ir mažiau tankus kyla ir iš jo išeina. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. „Genieclimatique“ / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

To pavyzdys yra uždaras kambarys paveikslėlyje, kuris iškart atnaujinamas, kai tik atidaromos durys ar langai, nes karštas oras iš vidaus išeina net per įtrūkimus, todėl iš išorės išeina grynas oras, kuris išlieka daugiau. žemyn.

Konvekcijos tipai

Natūrali ir priverstinė konvekcija

2 pav. Priverstinės ir natūraliosios konvekcijos pavyzdžiai. Šaltinis: Cengel, Y. Termodinamika.

Konvekcija gali būti natūrali arba priverstinė. Pirmuoju atveju skystis juda pats, kaip ir atidarant kambario duris, o antruoju atveju, pavyzdžiui, jį priverčia ventiliatorius arba siurblys.

Difuzija ir advekcija

Taip pat gali būti du variantai: difuzija ir advekcija. Difuzijos metu skysčio molekulės juda daugiau ar mažiau atsitiktinai, o šilumos perdavimas vyksta lėtai.

Priešingai, advekcija sukuria didelę skysčio masės dalį, kurią galima pasiekti, pvz., Priverstinai konvekcija. Bet advekcijos pranašumas yra tai, kad ji yra daug greitesnė nei difuzija.

¿

Paprastas konvekcinio šilumos perdavimo matematinis modelis yra Niutono aušinimo dėsnis. Apsvarstykite A srities karštą paviršių, apsuptą vėsesnio oro, kad temperatūrų skirtumas būtų nedidelis.

Pavadinkime perduodamą šilumą Q ir laiku t. Šilumos perdavimo greitis yra dQ / dt arba apskaičiuojamas iš funkcijos Q ​​(t) laiko atžvilgiu.

Kadangi šiluma yra šiluminė energija, jos vienetai tarptautinėje sistemoje yra džauliai (J), todėl perdavimo greitis yra džauliais per sekundę, kurie yra vatai arba vatai (W).

Šis greitis yra tiesiogiai proporcingas karšto daikto ir terpės temperatūros skirtumui, žymimam kaip ΔT, taip pat objekto paviršiaus plotui A:

Proporcingumo konstanta vadinama h, kuri yra šilumos perdavimo konvekcija koeficientas ir nustatomas eksperimentiniu būdu. Jos vienetai tarptautinėje sistemoje (SI) yra W / m ² . K, tačiau įprasta jį rasti pagal Celsijaus laipsnius ar Celsijaus laipsnius.

Svarbu pažymėti, kad šis koeficientas nėra skysčio savybė, nes jis priklauso nuo įvairių kintamųjų, tokių kaip paviršiaus geometrija, skysčio greitis ir kitos savybės.

Derinant visa tai, kas išdėstyta aukščiau, matematiškai Niutono aušinimo dėsnis įgauna tokią formą:

Niutono aušinimo dėsnio taikymas

Žmogus stovi kambario viduryje 20 ° C, per kurią pučia nedidelis vėjelis. Koks yra šilumos greitis, kurį žmogus perduoda į aplinką konvekcija? Tarkime, kad atviro paviršiaus plotas yra 1,6 m ² , o odos paviršiaus temperatūra yra 29 ºC.

Faktas : konvekcijos šilumos perdavimo koeficientas šiuo atveju yra 6 W / m ² . ºC

Sprendimas

Žmogus gali perduoti šilumą orui aplink juos, nes jis juda, kai pučia vėjas. Norėdami rasti perdavimo greitį dQ / dt, tiesiog prijunkite vertes prie Niutono lygties aušinimui:

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

Konvekcijos pavyzdžiai

Šildykite rankas virš laužo

Įprasta rankas pašildyti pritraukiant jas prie laužo ar karšto skrudintuvo, nes oras aplink šilumos šaltinį savo ruožtu įkaista ir plečiasi, kyla, nes yra mažiau tankus. Cirkuliuodamas šis karštas oras apgaubia ir sušildo jūsų rankas.

3 pav. Vienas iš būdų pašildyti rankas yra per konvekcinę srovę, kurią ore sukuria ugnis. Šaltinis: „Pxfuel“.

Oro srautas pakrantėje

Pakrantėse jūra yra šaltesnė nei sausumos, todėl oras virš sausumos sušyla ir pakyla, o šaltesnis oras atvyksta ir įsikuria į šio kito paliktą erdvę kylant.

Tai vadinama konvekcine kamera ir todėl ji atrodo vėsesnė, kai žiūri į jūrą, o vėjelis pūtė prieš tavo veidą karštą dieną. Naktį nutinka priešingai, šaltas vėjas sklinda iš žemės.

Vandens ciklas

Natūrali konvekcija vyksta vandenynų pakrančių ore, vykstant hidrologiniam ciklui, kurio metu vanduo kaitinamas ir išgarinamas dėl saulės spinduliuotės. Tokiu būdu susidarę vandens garai pakyla, atvėsta ir kondensuojasi į debesis, kurių masės didėja ir didėja konvekcijos būdu.

Padidinus vandens lašelių dydį, ateina laikas, kai vanduo iškrenta lietaus pavidalo, kieto ar skysto pavidalo, priklausomai nuo temperatūros.

Puode užvirkite vandenį

Kai vanduo įpilamas į virdulį ar keptuvę, pirmiausia sušildomi arčiausiai dugno esantys sluoksniai, nes arčiausiai liepsna ar šiluma kyla iš degiklio. Tada vanduo plečiasi ir jo tankis mažėja, todėl jis kyla ir šaltesnis vanduo užima vietą indo apačioje.

4 pav. Vandens šildymas konvekciniu būdu. Šaltinis: „wikimedia Commons“. Vartotojas: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Tokiu būdu visi sluoksniai greitai cirkuliuoja ir visas vandens telkinys įkaista. Tai yra geras susižavėjimo pavyzdys.

Vėjo generavimas

Konvekcija oro masėse kartu su žemės sukimosi judesiu sukuria vėjus, nes šaltas oras juda ir cirkuliuoja po karštu oru, sukurdamas įvairias sroves, vadinamas konvekcinėmis srovėmis.

Vandenyno srovės

Vanduo elgiasi panašiai kaip oras atmosferoje. Šiltesni vandenys beveik visada yra šalia paviršiaus, o vėsesni vandenys yra gilesni.

Dinamo efektas

Jis atsiranda išlydytoje šerdyje planetos viduje, kur jis susijungia su Žemės sukimosi judesiu, sukurdamas elektros sroves, sukeliančias Žemės magnetinį lauką.

Energijos perdavimas žvaigždžių viduje

Žvaigždės, tokios kaip Saulė, yra didžiulės dujų sferos. Konvekcija yra efektyvus energijos transportavimo mechanizmas, nes dujinės molekulės turi pakankamai laisvės judėti tarp žvaigždžių interjero sričių.

Konvekcijos taikymo būdai

oro kondicionieriai

Oro kondicionierius pastatytas šalia kambarių lubų, kad tankesnis atvėsęs oras greitai nusileistų ir greičiau atvėstų arčiau grindų.

Šilumokaičiai

Pavyzdžiui, tai yra prietaisas, kuris leidžia perduoti šilumą iš vieno skysčio į kitą ir yra, pavyzdžiui, automobilio variklio oro kondicionierių ir aušinimo mechanizmų veikimo principas.

Šilumos izoliatoriai pastatuose

Jie gaminami derinant izoliacinės medžiagos lakštus ir pridedant oro burbuliukus viduje.

aušinimo bokštai

Dar vadinami aušinimo bokštais, jie naudojami atominių elektrinių, naftos perdirbimo gamyklų ir kitų įvairių pramonės įrenginių išskiriamai šilumai išmesti į orą, o ne į žemę ar vandenį.

Nuorodos

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2-asis. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Laidumas, konvekcija ir radiacija. Atgauta iš: eltamiz.com.
3. Natahenao. Šilumos panaudojimas. Atkurta iš: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fizika mokslui ir inžinerijai. 1 tomas. 7-asis. Ed. Cengago mokymasis.
5. Vikipedija. Konvekcija. Atkurta iš: en.wikipedia.org.
6. Vikipedija. Konvekcinės termosas. Atkurta iš: fr.wikipedia.org.