Konvekcinės srovės ir kaip jos veikia

Konvekcijos srovės yra tekantis skystis, kuris juda, nes medžiagoje yra temperatūros ar tankio skirtumas.

Kadangi kietosios dalelės yra fiksuotos vietoje, konvekcijos srovės matomos tik dujose ir skysčiuose. Temperatūros skirtumas lemia energijos perkėlimą iš didesnės energijos srities į mažesnės energijos sritį.

Konvekcija yra a šilumos perdavimas procesas. Kai sukuriamos srovės, materija perkeliama iš vienos vietos į kitą. Taigi tai yra masinio perdavimo procesas.

Konvekcija, kuri vyksta natūraliai, vadinama natūrali konvekcija arba laisvoji konvekcija. Jei skystis cirkuliuoja naudojant ventiliatorių ar siurblį, jis vadinamas priverstinė konvekcija. Konvekcijos srovių suformuota ląstelė vadinama a konvekcijos ląstelė arba Bénardo ląstelė.

Dėl temperatūros skirtumo dalelės juda, sukurdamos srovę. Dujose ir plazmoje temperatūros skirtumas taip pat lemia didesnio ir mažesnio tankio regionus, kur atomai ir molekulės juda užpildydami žemo slėgio sritis.

Trumpai tariant, karšti skysčiai kyla, o šalti skysčiai krinta. Jei nėra energijos šaltinio (pvz., Saulės šviesos, šilumos), konvekcijos srovės tęsiasi tik tol, kol pasiekiama vienoda temperatūra.

Mokslininkai analizuoja skysčius veikiančias jėgas, kad suskirstytų į kategorijas ir suprastų konvekciją. Šios pajėgos gali apimti:

• Gravitacija
• Paviršiaus įtempimas
• Koncentracijos skirtumai
• Elektromagnetiniai laukai
• Vibracija
• Ryšio susidarymas tarp molekulių

Konvekcijos sroves galima modeliuoti ir apibūdinti naudojant konvekcijos-difuzija lygtys, kurios yra skaliarinės transporto lygtys.

• Galite stebėti konvekcines sroves vandenyje virimas į puodą. Tiesiog pridėkite keletą žirnių ar popieriaus lapelių, kad atsektumėte dabartinį srautą. Šilumos šaltinis keptuvės apačioje šildo vandenį, suteikdamas jam daugiau energijos ir priversdamas molekules judėti greičiau. Temperatūros pokyčiai taip pat turi įtakos vandens tankiui. Vandeniui kylant link paviršiaus, tam tikra jo dalis turi pakankamai energijos, kad galėtų išeiti kaip garai. Garavimas atvėsina paviršių tiek, kad kai kurios molekulės vėl grimzta į indo dugną.
• Paprastas konvekcinių srovių pavyzdys yra šiltas oras, kylantis link namo lubų ar palėpės. Šiltas oras yra mažiau tankus nei vėsus oras, todėl jis kyla.
• Vėjas yra konvekcinės srovės pavyzdys. Saulės ar atspindėta šviesa skleidžia šilumą, nustatydama temperatūros skirtumą, dėl kurio oras juda. Šešėlinės ar drėgnos vietos yra vėsesnės arba gali sugerti šilumą, dar padidindamos efektą. Konvekcinės srovės yra dalis to, kas skatina visuotinę Žemės atmosferos cirkuliaciją.
• Degimas sukuria konvekcines sroves. Išimtis yra tai, kad deginimas nulinės gravitacijos aplinkoje neturi plūdrumo, todėl karštos dujos natūraliai nepakyla, o šviežias deguonis leidžia tiekti liepsną. Dėl minimalios konvekcijos, išreikštos nuliu g, daugelis liepsnos užgniaužia savo degimo produktus.
• Atmosferos ir vandenyno cirkuliacija yra atitinkamai didelio masto oro ir vandens judėjimas (hidrosfera). Šie du procesai veikia kartu. Konvekcijos srovės ore ir jūroje veda į oras.
• Žemės mantijoje esanti Magma juda konvekcinėmis srovėmis. Karšta šerdis kaitina medžiagą virš jos, todėl ji kyla link plutos, kur atvėsta. Šiluma kyla dėl stipraus uolienų spaudimo, kartu su energija, išsiskiriančia iš natūralios radioaktyvusis skilimas elementų. Magma negali toliau kilti, todėl juda horizontaliai ir grimzta atgal.
• Kamino efektas arba dūmtraukio efektas apibūdina konvekcines sroves, judančias dujas per kaminus ar dūmtakius. Oro plūdrumas pastato viduje ir išorėje visada skiriasi dėl temperatūros ir drėgmės skirtumų. Padidinus pastato ar kamino aukštį, efektas padidėja. Tai principas, kuriuo grindžiami aušinimo bokštai.
• Konvekcijos srovės yra akivaizdžios saulėje. Saulės fotoferoje matomos granulės yra konvekcinių ląstelių viršūnės. Saulės ir kitų žvaigždžių atveju skystis yra plazma, o ne skystis ar dujos.