Ak priblížite ruku k zapnutej elektrickej lampe alebo položíte dlaň na horúci sporák, môžete cítiť pohyb prúdov teplého vzduchu. Rovnaký efekt možno pozorovať, keď list papiera osciluje nad otvoreným plameňom. Oba efekty sú vysvetlené konvekciou.
Čo to je?
Fenomén konvekcie je založený na expanzii chladnejšej látky pri kontakte s horúcimi masami. Za takýchto okolností zohriata látka stráca svoju hustotu a stáva sa ľahšou v porovnaní s chladným priestorom, ktorý ju obklopuje. Najpresnejšie táto charakteristika javu zodpovedá pohybu tepelných tokov pri ohrievaní vody.
Pohyb molekúl v opačných smeroch pod vplyvom zahrievania je presne to, na čom je založená konvekcia. Žiarenie a tepelná vodivosť sú podobné procesy, ale týkajú sa predovšetkým prenosu tepelnej energie v pevných látkach.
Živé príklady konvekcie - pohyb teplého vzduchu v strede miestnosti s vykurovanímspotrebičov, keď sa vyhrievané prúdy pohybujú pod stropom a studený vzduch klesá na samotný povrch podlahy. To je dôvod, prečo, keď je kúrenie zapnuté, vzduch v hornej časti miestnosti je výrazne teplejší v porovnaní so spodnou časťou miestnosti.
Archimedov zákon a tepelná rozťažnosť fyzických tiel
Aby sme pochopili, čo je prirodzená konvekcia, stačí zvážiť proces na príklade Archimedovho zákona a fenomén rozpínania telies pod vplyvom tepelného žiarenia. Takže podľa zákona zvýšenie teploty nevyhnutne vedie k zvýšeniu objemu kvapaliny. Kvapalina ohrievaná zospodu v nádobách stúpa vyššie a vlhkosť s vyššou hustotou sa pohybuje nižšie. V prípade ohrevu zhora zostane na svojich miestach stále menej hustých kvapalín, v takom prípade k javu nedôjde.
Vznik konceptu
Pojem „konvekcia“prvýkrát navrhol anglický vedec William Prout už v roku 1834. Bol použitý na opis pohybu tepelných hmôt v zahriatych, pohybujúcich sa kvapalinách.
Prvé teoretické štúdie o fenoméne konvekcie sa začali až v roku 1916. Počas experimentov sa zistilo, že prechod z difúzie na konvekciu v kvapalinách ohrievaných zdola nastáva pri dosiahnutí určitých kritických hodnôt teploty. Neskôr bola táto hodnota definovaná ako „Roelovo číslo“. Bol tak pomenovaný po výskumníkovi, ktorý ho študoval. Výsledky experimentov umožnili vysvetliť pohyb tepelných tokov pod vplyvom Archimedových síl.
Typy konvekcie
Existuje niekoľko typov javu, ktorý popisujeme – prirodzená a nútená konvekcia. Príklad pohybu prúdenia teplého a studeného vzduchu v strede miestnosti najlepšie charakterizuje proces prirodzenej konvekcie. Čo sa týka nútenej, možno ju pozorovať pri miešaní kvapaliny lyžičkou, čerpadlom alebo miešadlom.
Pri zahrievaní pevných látok nie je možná konvekcia. Je to spôsobené pomerne silnou vzájomnou príťažlivosťou počas vibrácií ich pevných častíc. V dôsledku zahrievania telies pevnej konštrukcie nedochádza ku konvekcii a sálaniu. Tepelná vodivosť nahrádza tieto javy v takýchto telesách a prispieva k prenosu tepelnej energie.
Takzvaná kapilárna konvekcia je samostatný typ. Proces nastáva, keď sa teplota mení počas pohybu tekutiny cez potrubia. V prirodzených podmienkach je význam takejto konvekcie spolu s prirodzenou a nútenou konvekciou mimoriadne zanedbateľný. V kozmickej technológii sa však kapilárna konvekcia, žiarenie a tepelná vodivosť materiálov stávajú veľmi významnými faktormi. Dokonca aj tie najslabšie konvekčné pohyby v podmienkach beztiaže sťažujú implementáciu niektorých technických úloh.
Konvekcia vo vrstvách zemskej kôry
Konvekčné procesy sú neoddeliteľne spojené s prirodzenou tvorbou plynných látok v hrúbke zemskej kôry. Glóbus možno považovať za guľu pozostávajúcu z niekoľkých sústredných vrstiev. V samom strede je masívne horúce jadro, čo je tekutá hmota s vysokou hustotou obsahujúca železo,nikel, ako aj iné kovy.
Vrstvy obklopujúce zemské jadro tvoria litosféra a polotekutý plášť. Vrchná vrstva zemegule je priamo zemská kôra. Litosféra je tvorená jednotlivými doskami, ktoré sú vo voľnom pohybe a pohybujú sa po povrchu tekutého plášťa. Pri nerovnomernom ohreve rôznych častí plášťa a hornín, ktoré sa líšia rôznym zložením a hustotou, vznikajú konvekčné prúdenia. Práve pod vplyvom takýchto tokov dochádza k prirodzenej premene oceánskeho dna a pohybu nosných kontinentov.
Rozdiely medzi konvekciou a vedením tepla
Tepelná vodivosť by mala byť chápaná ako schopnosť fyzických telies prenášať teplo pohybom atómových a molekulárnych zlúčenín. Kovy sú vynikajúcimi vodičmi tepla, pretože ich molekuly sú vo vzájomnom tesnom kontakte. Naopak, plynné a prchavé látky pôsobia ako zlé vodiče tepla.
Ako dochádza ku konvekcii? Fyzika procesu je založená na prenose tepla v dôsledku voľného pohybu hmoty molekúl látok. Na druhej strane tepelná vodivosť spočíva výlučne v prenose energie medzi jednotlivými časticami fyzického tela. Oba procesy sú však nemožné bez prítomnosti častíc hmoty.
Príklady javu
Najjednoduchším a najzrozumiteľnejším príkladom konvekcie je proces bežnej chladničky. Obehochladený freónový plyn potrubím chladiacej komory vedie k zníženiu teploty horných vrstiev vzduchu. V súlade s tým, keď sú nahradené teplejšími prúdmi, studené klesajú, čím sa produkty ochladzujú.
Rošt umiestnený na zadnom paneli chladničky plní úlohu prvku, ktorý uľahčuje odvod teplého vzduchu vznikajúceho v kompresore jednotky pri stláčaní plynu. Chladenie mriežky je tiež založené na konvekčných mechanizmoch. Práve z tohto dôvodu sa neodporúča zapĺňať priestor za chladničkou. Koniec koncov, iba v tomto prípade môže dôjsť k ochladeniu bez problémov.
Ďalšie príklady konvekcie možno vidieť pozorovaním takého prírodného javu, akým je pohyb vetra. Otepľovanie nad suchými kontinentmi a ochladzovanie v drsnejšom teréne sa prúdy vzduchu začínajú navzájom vytláčať, čo spôsobuje ich pohyb, ako aj pohyb vlhkosti a energie.
Možnosť vzletu vtákov a vetroňov je spojená s konvekciou. Menej husté a teplejšie vzduchové hmoty s nerovnomerným ohrevom v blízkosti zemského povrchu vedú k tvorbe vzostupných prúdov, čo prispieva k procesu stúpania. Na prekonanie maximálnych vzdialeností bez vynaloženia sily a energie potrebujú vtáky schopnosť nájsť takéto prúdy.
Dobrými príkladmi konvekcie je tvorba dymu v komínoch a sopečných kráteroch. Pohyb dymu smerom nahor je založený na jeho vyššej teplote a nižšej hustote v porovnaní s okolím. Ako sa dym ochladzuje, postupne sa usádza do spodných vrstiev atmosféry. Presne z tohto dôvodupriemyselné potrubia, cez ktoré sa do ovzdušia uvoľňujú škodlivé látky, sú vyrobené čo najvyššie.
Najbežnejšie príklady konvekcie v prírode a technológii
Medzi najjednoduchšie, ľahko pochopiteľné príklady, ktoré možno pozorovať v prírode, každodennom živote a technológiách, by sme mali vyzdvihnúť:
- prúdenie vzduchu počas prevádzky vykurovacích batérií pre domácnosť;
- tvorba a pohyb oblakov;
- proces pohybu vetra, monzúnov a vánkov;
- posun tektonických zemských platní;
- procesy, ktoré vedú k voľnej tvorbe plynu.
Varenie
V moderných domácich spotrebičoch, najmä v rúrach, sa čoraz viac prejavuje fenomén konvekcie. Plynová skriňa s konvekciou umožňuje varenie rôznych jedál súčasne na samostatných úrovniach pri rôznych teplotách. Tým sa úplne eliminuje miešanie chutí a vôní.
Tradičná rúra sa spolieha na jeden horák na ohrev vzduchu, čo vedie k nerovnomernému rozloženiu tepla. Vďaka cieľavedomému pohybu prúdov horúceho vzduchu pomocou špecializovaného ventilátora sú jedlá v konvektomatoch šťavnatejšie a lepšie prepečené. Takéto zariadenia sa zahrievajú rýchlejšie, čo skracuje čas potrebný na varenie.
Samozrejme pre gazdinky, ktoré varia v rúre len párkrát do roka, domáci spotrebič sfunkciu konvekcie nemožno nazvať technikou prvej nevyhnutnosti. Pre tých, ktorí sa nezaobídu bez kulinárskych experimentov, sa však takéto zariadenie stane v kuchyni jednoducho nepostrádateľným.
Dúfame, že prezentovaný materiál bol pre vás užitočný. Veľa šťastia!
