KONVEKSJON: KJENNETEGN, EKSEMPLER, APPLIKASJONER - FYSISK - 2026

Den konveksjon er en av de tre mekanismer som varmen overføres fra en sone til en annen varmere kjøligere. Det skjer på grunn av bevegelsen av massen til en væske, som kan være en væske eller en gass. I alle fall er det alltid nødvendig med et materielt medium for at denne mekanismen skal finne sted.

Jo raskere bevegelse av væsken det gjelder, jo raskere overføring av termisk energi mellom soner med forskjellige temperaturer. Dette skjer kontinuerlig med luftmasser: oppdrift sørger for at de varmere og mindre tette stiger mens de kaldere og tettere ned.

Figur 1. Et rom blir avkjølt ved å åpne døren, siden den varme luften (rød pil) og mindre tett stiger opp og rømmer fra den. Kilde: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Et eksempel på dette er det lukkede rommet i bildet, som øyeblikkelig blir oppdatert så snart dørene eller vinduene er åpnet, siden den varme luften fra innsiden slipper til og med gjennom sprekker, og gir plass til den friske luften utenfra som forblir mer ned.

Konveksjonstyper

Naturlig og tvungen konveksjon

Figur 2. Eksempler på tvungen konveksjon og naturlig konveksjon. Kilde: Cengel, Y. Thermodynamics.

Konveksjon kan være naturlig eller tvunget. I det første tilfellet beveger væsken seg av seg selv, som når du åpner døren til rommet, mens den i det andre blir tvunget av for eksempel en vifte eller en pumpe.

Diffusjon og adeksjon

Det kan også være to varianter: diffusjon og adeksjon. I diffusjon beveger molekylene i væsken seg mer eller mindre tilfeldig, og overføringen av varme er langsom.

I kontrast flytter adeksjon en god mengde væskemasse, som kan oppnås ved å for eksempel tvinge konveksjon med en vifte. Men fordelen med rådgivning er at den er mye raskere enn diffusjon.

¿

En enkel matematisk modell for konvektiv varmeoverføring er Newtons lov om kjøling. Tenk på en varm overflate i område A, omgitt av kjøligere luft, slik at temperaturforskjellen er liten.

La oss kalle varmen som er overført Q og tid t. Hastigheten som varmen overføres er dQ / dt eller avledet fra funksjonen Q (t) med hensyn til tid.

Siden varme er termisk energi, er enhetene i det internasjonale systemet joule (J), derfor kommer overføringshastigheten i joule / sekund, som er watt eller watt (W).

Denne hastigheten er direkte proporsjonal med forskjellen i temperatur mellom den varme gjenstanden og mediet, betegnet som ΔT og også til overflatearealet A til objektet:

Proportionalitetskonstanten kalles h, som er varmeoverføringskoeffisienten ved konveksjon og bestemmes eksperimentelt. Enhetene i det internasjonale systemet (SI) er W / m ² . K, men det er vanlig å finne det når det gjelder grader Celsius eller celsius.

Det er viktig å merke seg at denne koeffisienten ikke er en fluidegenskap, siden den avhenger av flere variabler, for eksempel geometrien til overflaten, hastigheten på fluidet og andre egenskaper.

Ved å kombinere alt det ovennevnte, tar matematisk Newtons kjølevett denne formen:

Anvendelse av Newtons lov om kjøling

En person står midt i et rom 20 ° C, gjennom hvilken det blåser en liten bris. Hva er varmen som personen overfører til omgivelsene ved konveksjon? Anta at det utsatte overflaten er 1,6 m ² og overflatetemperaturen på huden er 29 ºC.

Fakta : konveksjonsvarmeoverføringskoeffisienten er i dette tilfellet 6 W / m ² . ºC

Løsning

Personen kan overføre varme til luften rundt seg, siden den er i bevegelse når vinden blåser. For å finne overføringshastigheten dQ / dt, kobler du bare verdiene til Newtons ligning for avkjøling:

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

Eksempler på konveksjon

Varm hendene over et bål

Det er vanlig å varme hendene dine ved å bringe dem nær en bål eller varm brødrister, da luften rundt varmekilden igjen blir varm og utvider seg, og stiger fordi den er mindre tett. Når den sirkulerer, omslutter denne varme luften hendene dine.

Figur 3. En måte å varme hendene på er gjennom konveksjonsstrømmen som oppstår i luften av brannen. Kilde: Pxfuel.

Luftstrømning ved kysten

På kysten er havet kaldere enn landet, så luften over landet varmes opp og stiger, mens den kaldere luften kommer og legger seg i det rommet som denne andre har igjen når den stiger opp.

Dette kalles en konveksjonscelle og er grunnen til at det føles kjøligere når du ser ut mot havet og brisen som blåser mot ansiktet ditt på en varm dag. Om natten skjer det motsatte, den kjølige brisen kommer fra land.

Vannets syklus

Naturlig konveksjon forekommer i luften i havets kyster, gjennom den hydrologiske syklusen, der vann blir oppvarmet og fordampet takket være solstråling. Den dannede vanndampen stiger, avkjøles og kondenseres til skyer, hvor massene øker og stiger ved konveksjon.

Ved å øke størrelsen på vanndråpene, kommer det en tid da vannet faller ut i form av regn, fast eller flytende, avhengig av temperaturen.

Kok opp vann i en beholder

Når vannet plasseres i kjelen eller kasserollen, varmes lagene nærmest bunnen først, da flammen eller varmen fra brenneren er nærmest. Da utvides vannet og densiteten avtar, derfor stiger det og det kaldere vannet tar sin plass i bunnen av beholderen.

Figur 4. Oppvarming av vann ved konveksjon. Kilde: wikimedia Commons. Bruker: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

På denne måten sirkulerer alle lagene raskt, og hele vannmassen varmes opp. Dette er et godt eksempel på tilskudd.

Vindproduksjon

Konveksjon i luftmasser, sammen med jordens rotasjonsbevegelse, produserer vind, når kald luft beveger seg og sirkulerer under varm luft, og skaper forskjellige strømmer som kalles konveksjonsstrømmer.

havstrømmer

Vann oppfører seg på samme måte som hvordan luften gjør i atmosfæren. Varmere farvann er nesten alltid nær overflaten, mens kjøligere vann er dypere.

Dynamoeffekt

Det forekommer i den smeltede kjernen inne i planeten, der den kombineres med jordens rotasjonsbevegelse, og genererer elektriske strømmer som gir opphav til jordas magnetfelt.

Overføring av energi inne i stjernene

Stjerner som solen er enorme gassfærer. Konveksjon er en effektiv energitransportmekanisme der, siden gassformede molekyler har tilstrekkelig frihet til å bevege seg mellom områder av det indre av stjerner.

Søknader om konveksjon

klimaanlegg

Klimaanlegget er plassert nær taket på rommene, slik at den avkjølte luften, som er tettere, synker ned og avkjøles nærmere gulvet.

Varmevekslere

Det er en innretning som tillater overføring av varme fra en væske til en annen og er for eksempel prinsippet om drift av klimaanlegg og kjølemekanismer til bilmotoren.

Varmeisolatorer i bygninger

De er laget ved å kombinere ark med isolerende materiale og legge luftbobler inni.

kjøletårn

De kalles også kjøletårn, og tjener til å kaste bort varmen som produseres av kjernekraftverk, oljeraffinerier og andre industrielle anlegg i luften, i stedet for til bakken eller til vannet.

referanser

1. Giambattista, A. 2010. Fysikk. Andre. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Konduksjon, konveksjon og stråling. Gjenopprettet fra: eltamiz.com.
3. Natahenao. Varme applikasjoner. Gjenopprettet fra: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fysikk for vitenskap og teknikk. Volum 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konveksjon. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konveksjon termikk. Gjenopprettet fra: fr.wikipedia.org.