Конвекцией называют такой вид теплообмена, при котором энергия (считай, тепло) перемещается струями (в жидком веществе) и потоками (в газообразном веществе). Примером может являться перемещение воздуха в комнате, или его циркуляция в атмосфере.
Автор фото – NASA Goddard Space Flight Center, ссылка на оригинал (фото было изменено).
Благодаря конвекции воздух в комнате не застаивается на одном месте. А если есть приток свежего воздуха, то распространяться он будет по всему помещению, меняя температуру не в одном месте, а везде.
К слову, комнатная температура заметно различается на разных высотах. Так, возле пола температура будет примерно на 5 градусов ниже, чем в середине комнаты (по высоте), у потолка – на 5 градусов выше.
Естественная конвекция
Если конвекция происходит без воздействия внешних факторов, то называют её естественной. К таковой относится приведённый выше пример движения воздуха в комнате. А ещё примерами естественной конвекции могут служить многие атмосферные явления, например, образование облаков. Да что там атмосферные явления, даже тектонические плиты движутся благодаря конвекции.
Если обобщать, то при естественной конвекции сначала нагреваются нижние слои некого вещества. А как нам известно, в этом случае вещество становится легче. Поэтому после нагревания оно перемещается вверх. Ну а верхние слои, одновременно с этим, остывают и опускаются ниже. Процесс этот не прерывается ни на минуту.
Вынужденная конвекция
Если конвекция происходит под воздействием внешней силы, то называют её вынужденной. Главной причиной такого вида конвекции является человек, а точнее, изобретения человека.
Примерами могут служить кондиционер, насос или обычный вентилятор – все они заставляют потоки воздуха двигаться не в том направлении, в котором те двигаться должны.
Вынужденная конвекция применяется в тех случаях, когда естественная не способна достаточно хорошо выполнять свою задачу. Похожие статьи: Гипоксия – кислородное голодание
Гипоксия у человека может возникать по различным причинам: при нагрузках, проблемах с органами дыхания или кровеносной системы, дыхании загрязнённым воздухом… Содержание влаги в воздухе
Влажность воздуха оказывает очень сильное влияние на самочувствие человека и его здоровье. Важно понимать это и поддерживать в комнате нормальную влажность.
§ 5. Конвекция
Помещая руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно почувствовать, что над ними поднимаются тёплые струи воздуха.
Небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться (рис. 9, а). Рис. 9. Конвекция:
а – в воздухе; б – в жидкости
Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с тёплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на тёплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на тёплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
Такие же явления мы наблюдаем и при нагревании жидкости снизу. Нагретые слои жидкости — менее плотные и поэтому более лёгкие — вытесняются вверх более тяжёлыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается. Этот процесс становится наглядным, если на дно колбы бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает струи воды в фиолетовый цвет (рис. 9,б).
В описанных опытах мы наблюдали ещё один вид теплопередачи, называемый конвекция (от лат. конвекцио — перенесение).
Следует помнить, что при конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Так, например, в отапливаемой комнате благодаря конвекции поток тёплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз (рис. 10). Поэтому у потолка воздух всегда теплее, чем вблизи пола. Рис. 10. Нагревание воздуха путём конвекции
Различают два вида конвекции: естественную (или свободную) и вынужденную. Так, нагревание жидкости, а также воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Если жидкости и газы прогревать не снизу, а сверху (см. рис. 6, 7), то конвекция не происходит. Нагретые слои не могут опуститься ниже холодных, более тяжёлых.
Следовательно, для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твёрдых телах происходить не может. Вам уже известно, что частицы в твёрдых телах колеблются около определённой точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твёрдых тел в них не могут образовываться потоки вещества. Энергия в твёрдых телах может передаваться теплопроводностью.
Вопросы
Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.
Объясните, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь.
В чём состоит явление конвекции?
Чем отличается естественная конвекция от вынужденной?
Почему жидкости и газы нагревают снизу?
Почему конвекция невозможна в твёрдых телах?
Упражнение 4
Почему подвал — самое холодное место в доме?
Почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна, а радиаторы — у пола?
Каким способом охлаждается воздух в комнате зимой при открытой форточке?
Задание
Включите настольную лампу и расположите над ней маленькую пушинку. Опишите, что вы наблюдаете. Объясните, с каким видом теплопередачи связано наблюдаемое явление.
Это любопытно…
Примеры конвекции в природе и технике Ветры. В атмосфере Земли вследствие неодинакового нагрева воздуха в жарком поясе и в полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха, образующее постоянно дующие ветры.
Одной из причин образования пассатов — ветров, дующих от субтропических областей к экватору, — является неравномерное нагревание земной поверхности солнцем. Средняя годовая температура на экваторе Земли на 50 °С выше, чем на её полюсах. В экваториальной зоне Земли нагретый воздух поднимается вверх. На его место с севера и юга притекает холодный воздух. Его движение и есть пассат. Потоки холодного воздуха вследствие вращения Земли движутся не вдоль меридиана, а отклоняются. В связи с этим в Северном полушарии пассаты имеют северо-восточное направление, а в Южном — юго-восточное.
Ветры вызывают образование океанических течений. Постоянно дующий в одном направлении ветер приводит в движение верхние слои воды. Они перемещаются в сторону ветра. Тёплые и холодные океанические течения могут служить примерами вынужденной конвекции.
Возникновение ветра на берегах морей — бриза — также объясняется конвекцией. В летние дни суша нагревается солнцем сильнее, чем вода в море. Нагревшийся от суши воздух поднимается вверх. Это происходит потому, что плотность воздуха уменьшается и давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем.
На место тёплого воздуха с моря приходит более прохладный. Днём ветер дует поэтому с моря на сушу {дневной бриз). Ночью, наоборот, поверхность суши остывает быстрее, чем вода в море. Ветер меняет своё направление — дует с суши на море {ночной бриз). Тяга. Вы знаете, что горение топлива без притока свежего воздуха невозможно. Горение топлива прекратится, если в трубу самовара, камина не будет поступать воздух. На практике используют естественный приток воздуха — тягу. На фабриках и заводах, на электростанциях, в котельных установках для усиления тяги устанавливают трубу (рис. 11). Воздух в трубе при горении нагревается, а значит, его плотность уменьшается. Следовательно, давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Возникает разность давлений. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а тёплый поднимается вверх. Возникает тяга, которая усиливается при увеличении высоты трубы. Рис. 11. Модель для демонстрации тяги Отопление и охлаждение жилых помещений. В современных зданиях устанавливают водяное отопление. По всему зданию проводят систему распределительных труб, а от них вниз идут вертикальные трубы, которые проходят через комнаты здания. Из этих труб вода поступает в отопительные батареи. Вода отдаёт им своё тепло и возвращается в котёл, где снова нагревается. Так происходит циркуляция воды и прогревание воздуха за счёт конвекции.
Сегодня многие помещения оснащены кондиционерами, которые при необходимости могут не только нагревать помещение, но и охлаждать его.
1
2
Конвекция (от лат. convectio принесение, доставка) явление переноса теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества
3
Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают вверх, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.
4
Естественная (Свободная) Вынужденная естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.
5
Всем знакома эта картина когда вся семья сидит дома на диване, на улице холод, Квартиру обогревает только батарея, но заметьте батарея обогревает сверху вниз она сначала дает горячий воздух который поднимается в верх но потом он опускается и становится холодным Красные стрелки – горячий воздух Синие стрелки – холодный воздух
6
В природе тоже наблюдается конвекция. В результате конвекции в атмосфере наблюдаются ветра, у моря дневные и ночные бризы
Поднесите к тому месту пластинки, над которым приклеен стеарин, горящую свечу. Лепешка, нагревшись, оторвется от пластинки, и поток горячей воды, окрашенный в фиолетовый цвет, устремится вверх. Вы увидите циркуляцию окрашенных потоков воды: теплые струйки идут вверх, холодные – вниз. Опыт 2
Опыт, демонстрирующий циркуляцию воздушных тепловых потоков, проделайте так: возьмите стекло от керосиновой лампы, а если его нет, то бутылку с ровно отрезанным дном.
Поставьте ламповое стекло на горящую свечку. Она быстро погаснет. Свежий воздух к ней не поступает. Горячий воздух с продуктами горения устремляется вверх, а свежему воздуху пройти негде. Но если вы в ламповое стекло вставите полоску из плотной бумаги, она разделит внутреннее пространство на две половины: в той, где находится свеча, горячий воздух с продуктами горения по-прежнему будет идти вверх, а свежий, более холодный воздух будет притекать к свече сверху – по другую сторону перегородки.
Чтобы убедиться, что перегородка играет важную роль в снабжении свечи свежим воздухом и что без нее циркуляции воздуха не будет, выдерните бумажную полоску. Свеча моментально погаснет.
ВИНОВАТА КОНВЕКЦИЯ Опыт 1
Возьмите учебные весы, закрепите, их в лапке штатива и уравновесьте. Поднесите горящую спичку под чашку весов снизу на расстоянии 10—12 см.
Почему они выходят из равновесия?
Оказывается, при горении спички возникают восходящие конвекционные потоки, которые вызывают подъем чашки. Опыт 2
Зажгите стеариновую свечу, накройте ее стеклянной цилиндрической трубкой. При этом пламя уменьшается и может погаснуть. Почему?
Если трубку приподнять, то свеча горит ярче. Почему?
Когда горящую свечу накрывают стеклянной цилиндрической трубкой, доступ кислорода к свече ухудшается и ее пламя уменьшается.
При подъеме трубки улучшается доступ кислорода к горящей свече, улучшается тяга. ХИТРАЯ ЗМЕЯ
Есть на свете хитрая змея. Она лучше людей чувствует движение потоков воздуха. Сейчас мы ее сделаем и проверим, действительно ли так неподвижен воздух в закрытой комнате.
Змею можно сделать из старой почтовой открытки, годится и лист, вырванный из тетради по рисованию. Нарисуй выкройку змеи по нашей картинке и аккуратно вырежь ее ножницами. На хвосте змеи, в самой серединке, выдави острием карандаша маленькое углубление.
Проверим теперь, действует ли наша змея. Надень ее углублением на кончик остро очищенного карандаша и подними. Закинув голову, легонько подуй на змею снизу.
Завертелась!
Значит, хитрая змея действительно замечает то, чего люди не видят. Она чувствует, когда воздух поднимается вверх. Попробуем воспользоваться этим свойством змеи и поищем в комнате такое место, где воздух сам поднимается вверх. Поднеси карандаш со змеей к топящейся печке или к батарее центрального отопления. Придвинь его совсем близко, так, чтобы только змея могла свободно вертеться.
Хитрая змея завертится!
Она будет вертеться тем быстрее, чем горячее печка. Это потому, что печка нагревает воздух. В комнате происходит распределение тепла с помощью конвекции – потоков воздуха: теплый воздух поднимается вверх. Он и вертит хитрую змею.
ВЕРТУШКА НА БУЛАВКЕ
Для опытов с хитрой змеей нужна горячая печка или горячая батарея отопления. Ну, а что делать летом?
Есть гораздо более чувствительный физический прибор, для работы которого вполне достаточно тепла твоего тела. Это бумажная вертушка на булавке. Сделать ее ничуть не труднее, чем змею.
Вырежь квадратик размером 4×4 см из тоненькой, лучше всего папиросной бумаги. Перегни его точно с угла на угол — сначала по одной диагонали, потом по другой. Получится колпачок в виде отлогой пирамидки. Углы этой пирамидки сложи попарно так и этак, чтобы образовались еще складки, входящие внутрь.
Каждая боковая грань пирамидки разделилась на два треугольника. Возьми ножницы и вырежь из каждой грани левый треугольничек. Только —чур! — не до самой серединки режь, оставь по 2—3 мм, иначе все развалится.
Получилась вертушка с четырьмя косыми крылышками. Возьми в руки булавку, острием вверх, и положи вертушку на острие вершинкой. Убери вторую руку и подожди несколько секунд.
Видишь? Вертушка тихонько завертелась. Ее крутит поток нагретого воздуха – это явление воздушной конвекции. Он поднимается от руки, в которой ты держишь булавку. Конечно, поток этот очень слабенький. Но вертушка легонькая, ей и этого хватает!
Источник:”Забавная физика” Л. Гальперштейн; “Занимательные опыты по физике” А. Горев
7
Естественная конвекция При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуетс я в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.
8
Примеры естественной конвекции
9
Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.
10
11
Вынужденная конвекция При вынужденной конвекции перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.
12
Конвекция Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.
13
14
Виды конвекции по причине появления Термогравитацион ная конвекция обычная, под действием разности температур в поле гравитации, из-за силы Архимеда Термокапиллярная конвекция под действием сил поверхностного натяжения Конвекц ия Концентрационная конвекция под действием градиента концентрац ии растворённого вещества Термомагнитная конвекция в магнитных жидкостях под действием магнитного поля в поле гравитации. Гранулярная конвекция в сыпучих неоднородных средах
15
Материал был взят с сайтов: lib.com/article html lib.com/article html 4.html 4.html
Само слово на латыни означает «перенос». А процесс конвекции характеризуется переносом тепла в газообразных, жидких и даже твердых сыпучих средах веществами. В природе законы конвекции мы наблюдаем вокруг себя ежедневно. Именно природное явление называют естественной конвекцией, при которой нижние уровни вещества при нагревании самопроизвольно начинают движение вверх, а более холодные уровни опускаются на их место. Увидеть это можно, если повесить над пламенем листик из бумаги, который станет двигаться от поднимающегося вверх теплого воздуха. В жидкости этот процесс происходит благодаря нагреванию нижних слоев, которые постепенно передают тепло к верхним. Так, к примеру, закипает вода. Интересно, что если пытаться нагреть воду сверху, то конвекции не произойдет, потому что физическое движение теплого вещества вниз, а холодного вверх просто невозможно. Вынужденной конвекцией называется усиленное перемешивание газа или жидкости с помощью мешалок или вентиляторов. Обогреватели с разной конвекцией
Любой из обогревателей прогревает помещение по законам конвекции. Но одни из них создают вынужденное перемещение нагретых слоев воздуха, а другие работают на основе естественных движений тепла. К примеру, тепловентиляторы, нагревая воздух, еще и раздувают его по всему помещению. А вот масляные радиаторы или отопительные конвекторы действуют по естественным законам природы. Если говорить о масляных устройствах, то перемешивание теплого воздуха с холодным при их работе происходит быстрее, благодаря высокой температуре нагрева, но при этом воздух сильно сушится. А вот конвекторы электрические отзывы получают всегда самые положительные, ведь принцип естественного передвижения теплых масс позволил создать батарею, которая не вредит здоровью и безопасна в эксплуатации бесконечно долго. Воздух в комнате при этом не пересушивается, температура поддерживается все время, опасности ожогов нет совершенно. Конвекционные печи
Применение конвекционного принципа в микроволновках, духовках и печах позволило ускорить и улучшить выпечку и приготовление разных блюд. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон. Выпечка в таких печах всегда будет идеальной. Именно поэтому конвекционные печи относят к профессиональной технике и используют их в хлебопекарнях, фаст-фудах, ресторанах и кафе и т.п. В современных кухонных духовках для домашнего быта тоже начали уже встраивать конвекционную систему, и это очень понравилось всем хозяйкам и любителям вкусно покушать. Циркуляция воздуха в холодильниках
В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным. К примеру, наш холодильник Snaige без устали вырабатывает холод с помощью циркулирующего по трубам фреона, который охлаждает верхние слои в холодильной камере. Охлажденный воздух опускается вниз и вытесняет теплый вверх, где тот также охлаждается. Так вся камера заполняется холодом, что и нужно в холодильных устройствах. Чтобы циркуляция холодных потоков была эффективней, не нужно загружать внутреннее пространство холодильника до отказа, оставьте проемы для свободного движения.
Теплопроводность – переход энергии дельта Q от более нагретых T1 частей тела к менее нагретым T2. Закон теплопроводности: теплота дельта Q, переносимая через элемент площади дельта S за время дельта t, пропорциональна градиенту температуры dT/dx, площади дельта S и времени дельта t
Дельта Q = -X * (dT/dx) * дельта S * дельта t
X – коэффициент теплопроводности.
Суть теплопроводности
Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности приводит к тому , чтобы температура всего тела была одинакова.
Как правило энергия, которая подлежит переносу, определяется в качестве плотности теплового потока, пропорциональному градиенту температуры. Такой коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности.
Теплопроводность это свойство тел передавать тепло, основанное на теплообмене которое происходит между атомами и молекулами тела.
При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. У жидкостей теплопроводность небольшая, исключение состовляет ртуть и расплавленные металлы.
Все это из-за того что молекулы расположены далеко друг от друга в отличии от твердых тел. У газов теплопроводность еще меньше т.к. его молекулы находятся на еще большем расстоянии, чем у жидкостей.
Плохой теплопроводностью обладает шерсть, волосы, бумага. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ воздух. Теплопроводность у разных веществ различна
Дома строят из кирпича и бревен, потому что они обладают плохой теплопроводностью и могут сохранить прохладу или тепло в помещении. Для сковородок делают пластмассовые ручки для того, чтобы люди не обжигались, потому что они обладают плохой теплопроводностью.
Суть конвекции
Конвекция – еще один вид теплопередачи, при которой энергия переноситься самими струями жидкостей и газа.
Пример: в отапливаемой комнате из за конвенции теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз.
Тепловой поток Q – колличество теплоты W, ДЖ проходящие за время Т,С через данную поверхность в направлении нормали к ней
Q = W/t
Если колличество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени Т то получим величину:
q= W/Ft = Q/F
Плотность теплового потока измеряется в Вт/м2
Существует два вида конвекции – естественная и вынужденная. К естественной конвекции относится нагревание помещения, нагревание тела во время жары (естественным путем). К вынужденной конвекции относится мешание чая ложкой, использование вентилятора, что бы охладить помещение (неестественным путем)
Конвекция не происходит если нагревать жидкости сверху (правильно снизу), потому что нагретые слои не могут опуститься ниже холодных т.к. они более тяжелее.
Конвекция в твердых телах происходить не может, потому что частицы в твердых телах колеблются возле определенной точки и удерживаются сильным взаимным притяжением. Энергия в твердых телах может передаваться теплопроводностью.
Если вытянуть руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно ощутить, как над этими предметами поднимаются струи теплого воздуха. Листик бумаги, подвешенный над горящей свечей или электрической лампочкой, под воздействием поднимающегося теплого воздуха начинает вращаться.
Подобное явление можно объяснить следующим образом. Воздух соприкасается с горячей лампой, нагревается, расширяется и обретает менее плотное состояние, в отличие от окружающего холодного воздуха. Сила Архимеда, которая действует на теплый воздух со стороны холодного воздуха снизу вверх, превосходит силу тяжести, которая действует на теплый воздух. Таким образом, теплый воздух поднимается вверх, тем самым, уступая место холодному воздуху.
Подобные явления мы можем наблюдать при нагревании жидкости снизу. Теплые слои жидкости – менее плотные, а, следовательно, более легкие – вытесняются вверх более плотными и тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла и снова вытесняются менее нагретой жидкостью. Таким образом, такое движение равномерно прогревает всю воду. Это можно увидеть более наглядно, если на дно сосуда положить немного кристалликов марганцовки, которая окрашивает воду в фиолетовый цвет. В подобных опытах мы можем наблюдать еще одну разновидность теплопередачи – конвекция (латинское слово «конвекцио» – перенесение).
Следует отметить, что при процессе конвекции энергия перемещается самими струями газа или жидкости. К примеру, в комнате с отоплением, благодаря явлению конвекции поток нагретого воздуха поднимается к потолку, а холодного опускается к полу. Таким образом, воздух вверху гораздо теплее, чем возле пола.
Существует два вида конвекции: естественная (или другими словами свободная) и вынужденная. Примеры с нагревом жидкости и воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Мы можем наблюдать вынужденную конвекцию, когда перемешиваем жидкость ложкой, мешалкой, насосом.
Такие вещества как жидкости и газы необходимо нагревать снизу. Если же делать наоборот – нагревать их сверху, конвекции не будет. Теплые слои не могут физически опуститься ниже холодных, более плотных и тяжелых. Таким образом, для протекания процесса конвекции необходимо нагревать газы и жидкости снизу.
В твердых телах конвекция происходить не может. Нам уже известно, что в твердых телах, частицы колеблются около определенной точки, т.к. они удерживаются взаимным притяжением. Поэтому, при нагревании твердых тел, в них не может образовываться вещество. В твердых телах, энергия может передаваться за счет теплопроводности.
Конвекция широко распространена в природе: в нижних слоях земной атмосферы, морях, океанах, в недрах нашей планеты, на Солнце (в слоях до глубины ~20-30% радиуса Солнца от его поверхности). С помощью явления конвекции осуществляют нагрев газов, а также жидкостей в разных технических устройствах.
Простым примером конвекции может также послужить охлаждение продуктов в холодильнике. Циркулирующий по трубам холодильника газ фреон, охлаждает пласты воздуха в верхней части холодильника. Охлажденный воздух, спустившись вниз, охлаждает все продукты, а потом снова направляется вверх. Когда мы раскладываем продукты питания в холодильнике, не стоит затруднять циркуляцию воздуха в нем. Решетка, расположенная ссади холодильника, служит для отвода теплого воздуха, который образуется в компрессоре при сжатии газа. Механизм охлаждения решетки также конвективный, поэтому следует оставлять свободным пространство за холодильником, чтобы конвекция проходила без затруднений.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!
Зарегистрироваться
© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Конвекцией называют такой вид теплообмена, при котором энергия (считай, тепло) перемещается струями (в жидком веществе) и потоками (в газообразном веществе). Примером может являться перемещение воздуха в комнате, или его циркуляция в атмосфере.
Автор фото – NASA Goddard Space Flight Center, ссылка на оригинал (фото было изменено).
Благодаря конвекции воздух в комнате не застаивается на одном месте. А если есть приток свежего воздуха, то распространяться он будет по всему помещению, меняя температуру не в одном месте, а везде.
К слову, комнатная температура заметно различается на разных высотах. Так, возле пола температура будет примерно на 5 градусов ниже, чем в середине комнаты (по высоте), у потолка – на 5 градусов выше.
Естественная конвекция
Если конвекция происходит без воздействия внешних факторов, то называют её естественной. К таковой относится приведённый выше пример движения воздуха в комнате. А ещё примерами естественной конвекции могут служить многие атмосферные явления, например, образование облаков. Да что там атмосферные явления, даже тектонические плиты движутся благодаря конвекции.
Если обобщать, то при естественной конвекции сначала нагреваются нижние слои некого вещества. А как нам известно, в этом случае вещество становится легче. Поэтому после нагревания оно перемещается вверх. Ну а верхние слои, одновременно с этим, остывают и опускаются ниже. Процесс этот не прерывается ни на минуту.
Вынужденная конвекция
Если конвекция происходит под воздействием внешней силы, то называют её вынужденной. Главной причиной такого вида конвекции является человек, а точнее, изобретения человека.
Примерами могут служить кондиционер, насос или обычный вентилятор – все они заставляют потоки воздуха двигаться не в том направлении, в котором те двигаться должны.
Вынужденная конвекция применяется в тех случаях, когда естественная не способна достаточно хорошо выполнять свою задачу.
Похожие статьи:
Гипоксия – кислородное голодание
Гипоксия у человека может возникать по различным причинам: при нагрузках, проблемах с органами дыхания или кровеносной системы, дыхании загрязнённым воздухом…
Содержание влаги в воздухе
Влажность воздуха оказывает очень сильное влияние на самочувствие человека и его здоровье. Важно понимать это и поддерживать в комнате нормальную влажность.
§ 5. Конвекция
Помещая руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно почувствовать, что над ними поднимаются тёплые струи воздуха.
Небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться (рис. 9, а).
Рис. 9. Конвекция:
а – в воздухе; б – в жидкости
Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с тёплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на тёплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на тёплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
Такие же явления мы наблюдаем и при нагревании жидкости снизу. Нагретые слои жидкости — менее плотные и поэтому более лёгкие — вытесняются вверх более тяжёлыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается. Этот процесс становится наглядным, если на дно колбы бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает струи воды в фиолетовый цвет (рис. 9,б).
В описанных опытах мы наблюдали ещё один вид теплопередачи, называемый конвекция (от лат. конвекцио — перенесение).
Следует помнить, что при конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Так, например, в отапливаемой комнате благодаря конвекции поток тёплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз (рис. 10). Поэтому у потолка воздух всегда теплее, чем вблизи пола.
Рис. 10. Нагревание воздуха путём конвекции
Различают два вида конвекции: естественную (или свободную) и вынужденную. Так, нагревание жидкости, а также воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Если жидкости и газы прогревать не снизу, а сверху (см. рис. 6, 7), то конвекция не происходит. Нагретые слои не могут опуститься ниже холодных, более тяжёлых.
Следовательно, для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твёрдых телах происходить не может. Вам уже известно, что частицы в твёрдых телах колеблются около определённой точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твёрдых тел в них не могут образовываться потоки вещества. Энергия в твёрдых телах может передаваться теплопроводностью.
Вопросы
Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой.
Объясните, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь.
В чём состоит явление конвекции?
Чем отличается естественная конвекция от вынужденной?
Почему жидкости и газы нагревают снизу?
Почему конвекция невозможна в твёрдых телах?
Упражнение 4
Почему подвал — самое холодное место в доме?
Почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна, а радиаторы — у пола?
Каким способом охлаждается воздух в комнате зимой при открытой форточке?
Задание
Включите настольную лампу и расположите над ней маленькую пушинку. Опишите, что вы наблюдаете. Объясните, с каким видом теплопередачи связано наблюдаемое явление.
Это любопытно…
Примеры конвекции в природе и технике
Ветры. В атмосфере Земли вследствие неодинакового нагрева воздуха в жарком поясе и в полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха, образующее постоянно дующие ветры.
Одной из причин образования пассатов — ветров, дующих от субтропических областей к экватору, — является неравномерное нагревание земной поверхности солнцем. Средняя годовая температура на экваторе Земли на 50 °С выше, чем на её полюсах. В экваториальной зоне Земли нагретый воздух поднимается вверх. На его место с севера и юга притекает холодный воздух. Его движение и есть пассат. Потоки холодного воздуха вследствие вращения Земли движутся не вдоль меридиана, а отклоняются. В связи с этим в Северном полушарии пассаты имеют северо-восточное направление, а в Южном — юго-восточное.
Ветры вызывают образование океанических течений. Постоянно дующий в одном направлении ветер приводит в движение верхние слои воды. Они перемещаются в сторону ветра. Тёплые и холодные океанические течения могут служить примерами вынужденной конвекции.
Возникновение ветра на берегах морей — бриза — также объясняется конвекцией. В летние дни суша нагревается солнцем сильнее, чем вода в море. Нагревшийся от суши воздух поднимается вверх. Это происходит потому, что плотность воздуха уменьшается и давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем.
На место тёплого воздуха с моря приходит более прохладный. Днём ветер дует поэтому с моря на сушу {дневной бриз). Ночью, наоборот, поверхность суши остывает быстрее, чем вода в море. Ветер меняет своё направление — дует с суши на море {ночной бриз).
Тяга. Вы знаете, что горение топлива без притока свежего воздуха невозможно. Горение топлива прекратится, если в трубу самовара, камина не будет поступать воздух. На практике используют естественный приток воздуха — тягу. На фабриках и заводах, на электростанциях, в котельных установках для усиления тяги устанавливают трубу (рис. 11). Воздух в трубе при горении нагревается, а значит, его плотность уменьшается. Следовательно, давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Возникает разность давлений. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а тёплый поднимается вверх. Возникает тяга, которая усиливается при увеличении высоты трубы.
Рис. 11. Модель для демонстрации тяги
Отопление и охлаждение жилых помещений. В современных зданиях устанавливают водяное отопление. По всему зданию проводят систему распределительных труб, а от них вниз идут вертикальные трубы, которые проходят через комнаты здания. Из этих труб вода поступает в отопительные батареи. Вода отдаёт им своё тепло и возвращается в котёл, где снова нагревается. Так происходит циркуляция воды и прогревание воздуха за счёт конвекции.
Сегодня многие помещения оснащены кондиционерами, которые при необходимости могут не только нагревать помещение, но и охлаждать его.
1
2
Конвекция (от лат. convectio принесение, доставка) явление переноса теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества
3
Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают вверх, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.
4
Естественная (Свободная) Вынужденная естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.
5
Всем знакома эта картина когда вся семья сидит дома на диване, на улице холод, Квартиру обогревает только батарея, но заметьте батарея обогревает сверху вниз она сначала дает горячий воздух который поднимается в верх но потом он опускается и становится холодным Красные стрелки – горячий воздух Синие стрелки – холодный воздух
6
В природе тоже наблюдается конвекция. В результате конвекции в атмосфере наблюдаются ветра, у моря дневные и ночные бризы
Поднесите к тому месту пластинки, над которым приклеен стеарин, горящую свечу. Лепешка, нагревшись, оторвется от пластинки, и поток горячей воды, окрашенный в фиолетовый цвет, устремится вверх. Вы увидите циркуляцию окрашенных потоков воды: теплые струйки идут вверх, холодные – вниз.
Опыт 2
Опыт, демонстрирующий циркуляцию воздушных тепловых потоков, проделайте так: возьмите стекло от керосиновой лампы, а если его нет, то бутылку с ровно отрезанным дном.
Поставьте ламповое стекло на горящую свечку. Она быстро погаснет. Свежий воздух к ней не поступает. Горячий воздух с продуктами горения устремляется вверх, а свежему воздуху пройти негде. Но если вы в ламповое стекло вставите полоску из плотной бумаги, она разделит внутреннее пространство на две половины: в той, где находится свеча, горячий воздух с продуктами горения по-прежнему будет идти вверх, а свежий, более холодный воздух будет притекать к свече сверху – по другую сторону перегородки.
Чтобы убедиться, что перегородка играет важную роль в снабжении свечи свежим воздухом и что без нее циркуляции воздуха не будет, выдерните бумажную полоску. Свеча моментально погаснет.
ВИНОВАТА КОНВЕКЦИЯ
Опыт 1
Возьмите учебные весы, закрепите, их в лапке штатива и уравновесьте. Поднесите горящую спичку под чашку весов снизу на расстоянии 10—12 см.
Почему они выходят из равновесия?
Оказывается, при горении спички возникают восходящие конвекционные потоки, которые вызывают подъем чашки.
Опыт 2
Зажгите стеариновую свечу, накройте ее стеклянной цилиндрической трубкой. При этом пламя уменьшается и может погаснуть. Почему?
Если трубку приподнять, то свеча горит ярче. Почему?
Когда горящую свечу накрывают стеклянной цилиндрической трубкой, доступ кислорода к свече ухудшается и ее пламя уменьшается.
При подъеме трубки улучшается доступ кислорода к горящей свече, улучшается тяга.
ХИТРАЯ ЗМЕЯ
Есть на свете хитрая змея. Она лучше людей чувствует движение потоков воздуха. Сейчас мы ее сделаем и проверим, действительно ли так неподвижен воздух в закрытой комнате.
Змею можно сделать из старой почтовой открытки, годится и лист, вырванный из тетради по рисованию. Нарисуй выкройку змеи по нашей картинке и аккуратно вырежь ее ножницами. На хвосте змеи, в самой серединке, выдави острием карандаша маленькое углубление.
Проверим теперь, действует ли наша змея. Надень ее углублением на кончик остро очищенного карандаша и подними. Закинув голову, легонько подуй на змею снизу.
Завертелась!
Значит, хитрая змея действительно замечает то, чего люди не видят. Она чувствует, когда воздух поднимается вверх. Попробуем воспользоваться этим свойством змеи и поищем в комнате такое место, где воздух сам поднимается вверх. Поднеси карандаш со змеей к топящейся печке или к батарее центрального отопления. Придвинь его совсем близко, так, чтобы только змея могла свободно вертеться.
Хитрая змея завертится!
Она будет вертеться тем быстрее, чем горячее печка. Это потому, что печка нагревает воздух. В комнате происходит распределение тепла с помощью конвекции – потоков воздуха: теплый воздух поднимается вверх. Он и вертит хитрую змею.
ВЕРТУШКА НА БУЛАВКЕ
Для опытов с хитрой змеей нужна горячая печка или горячая батарея отопления. Ну, а что делать летом?
Есть гораздо более чувствительный физический прибор, для работы которого вполне достаточно тепла твоего тела. Это бумажная вертушка на булавке. Сделать ее ничуть не труднее, чем змею.
Вырежь квадратик размером 4×4 см из тоненькой, лучше всего папиросной бумаги. Перегни его точно с угла на угол — сначала по одной диагонали, потом по другой. Получится колпачок в виде отлогой пирамидки. Углы этой пирамидки сложи попарно так и этак, чтобы образовались еще складки, входящие внутрь.
Каждая боковая грань пирамидки разделилась на два треугольника. Возьми ножницы и вырежь из каждой грани левый треугольничек. Только —чур! — не до самой серединки режь, оставь по 2—3 мм, иначе все развалится.
Получилась вертушка с четырьмя косыми крылышками. Возьми в руки булавку, острием вверх, и положи вертушку на острие вершинкой. Убери вторую руку и подожди несколько секунд.
Видишь? Вертушка тихонько завертелась. Ее крутит поток нагретого воздуха – это явление воздушной конвекции. Он поднимается от руки, в которой ты держишь булавку. Конечно, поток этот очень слабенький. Но вертушка легонькая, ей и этого хватает!
Источник:”Забавная физика” Л. Гальперштейн; “Занимательные опыты по физике” А. Горев
7
Естественная конвекция При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуетс я в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.
8
Примеры естественной конвекции
9
Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.
10
11
Вынужденная конвекция При вынужденной конвекции перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.
12
Конвекция Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.
13
14
Виды конвекции по причине появления Термогравитацион ная конвекция обычная, под действием разности температур в поле гравитации, из-за силы Архимеда Термокапиллярная конвекция под действием сил поверхностного натяжения Конвекц ия Концентрационная конвекция под действием градиента концентрац ии растворённого вещества Термомагнитная конвекция в магнитных жидкостях под действием магнитного поля в поле гравитации. Гранулярная конвекция в сыпучих неоднородных средах
15
Материал был взят с сайтов: lib.com/article html lib.com/article html 4.html 4.html
Само слово на латыни означает «перенос». А процесс конвекции характеризуется переносом тепла в газообразных, жидких и даже твердых сыпучих средах веществами. В природе законы конвекции мы наблюдаем вокруг себя ежедневно. Именно природное явление называют естественной конвекцией, при которой нижние уровни вещества при нагревании самопроизвольно начинают движение вверх, а более холодные уровни опускаются на их место. Увидеть это можно, если повесить над пламенем листик из бумаги, который станет двигаться от поднимающегося вверх теплого воздуха. В жидкости этот процесс происходит благодаря нагреванию нижних слоев, которые постепенно передают тепло к верхним. Так, к примеру, закипает вода. Интересно, что если пытаться нагреть воду сверху, то конвекции не произойдет, потому что физическое движение теплого вещества вниз, а холодного вверх просто невозможно. Вынужденной конвекцией называется усиленное перемешивание газа или жидкости с помощью мешалок или вентиляторов.
Обогреватели с разной конвекцией
Любой из обогревателей прогревает помещение по законам конвекции. Но одни из них создают вынужденное перемещение нагретых слоев воздуха, а другие работают на основе естественных движений тепла. К примеру, тепловентиляторы, нагревая воздух, еще и раздувают его по всему помещению. А вот масляные радиаторы или отопительные конвекторы действуют по естественным законам природы. Если говорить о масляных устройствах, то перемешивание теплого воздуха с холодным при их работе происходит быстрее, благодаря высокой температуре нагрева, но при этом воздух сильно сушится. А вот конвекторы электрические отзывы получают всегда самые положительные, ведь принцип естественного передвижения теплых масс позволил создать батарею, которая не вредит здоровью и безопасна в эксплуатации бесконечно долго. Воздух в комнате при этом не пересушивается, температура поддерживается все время, опасности ожогов нет совершенно.
Конвекционные печи
Применение конвекционного принципа в микроволновках, духовках и печах позволило ускорить и улучшить выпечку и приготовление разных блюд. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон. Выпечка в таких печах всегда будет идеальной. Именно поэтому конвекционные печи относят к профессиональной технике и используют их в хлебопекарнях, фаст-фудах, ресторанах и кафе и т.п. В современных кухонных духовках для домашнего быта тоже начали уже встраивать конвекционную систему, и это очень понравилось всем хозяйкам и любителям вкусно покушать.
Циркуляция воздуха в холодильниках
В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным. К примеру, наш холодильник Snaige без устали вырабатывает холод с помощью циркулирующего по трубам фреона, который охлаждает верхние слои в холодильной камере. Охлажденный воздух опускается вниз и вытесняет теплый вверх, где тот также охлаждается. Так вся камера заполняется холодом, что и нужно в холодильных устройствах. Чтобы циркуляция холодных потоков была эффективней, не нужно загружать внутреннее пространство холодильника до отказа, оставьте проемы для свободного движения.
Теплопроводность – переход энергии дельта Q от более нагретых T1 частей тела к менее нагретым T2.
Закон теплопроводности: теплота дельта Q, переносимая через элемент площади дельта S за время дельта t, пропорциональна градиенту температуры dT/dx, площади дельта S и времени дельта t
Дельта Q = -X * (dT/dx) * дельта S * дельта t
X – коэффициент теплопроводности.
Суть теплопроводности
Теплопроводность происходит из-за движения тепла и взаимодействия его составляющих частиц друг с другом. Процесс теплопроводности приводит к тому , чтобы температура всего тела была одинакова.
Как правило энергия, которая подлежит переносу, определяется в качестве плотности теплового потока, пропорциональному градиенту температуры. Такой коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности.
Теплопроводность это свойство тел передавать тепло, основанное на теплообмене которое происходит между атомами и молекулами тела.
При теплопроводности не происходит перенос вещества от одного конца тела к другому. У жидкостей теплопроводность небольшая, исключение состовляет ртуть и расплавленные металлы.
Все это из-за того что молекулы расположены далеко друг от друга в отличии от твердых тел. У газов теплопроводность еще меньше т.к. его молекулы находятся на еще большем расстоянии, чем у жидкостей.
Плохой теплопроводностью обладает шерсть, волосы, бумага. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ воздух. Теплопроводность у разных веществ различна
Дома строят из кирпича и бревен, потому что они обладают плохой теплопроводностью и могут сохранить прохладу или тепло в помещении. Для сковородок делают пластмассовые ручки для того, чтобы люди не обжигались, потому что они обладают плохой теплопроводностью.
Суть конвекции
Конвекция – еще один вид теплопередачи, при которой энергия переноситься самими струями жидкостей и газа.
Пример: в отапливаемой комнате из за конвенции теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз.
Тепловой поток Q – колличество теплоты W, ДЖ проходящие за время Т,С через данную поверхность в направлении нормали к ней
Q = W/t
Если колличество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени Т то получим величину:
q= W/Ft = Q/F
Плотность теплового потока измеряется в Вт/м2
Существует два вида конвекции – естественная и вынужденная.
К естественной конвекции относится нагревание помещения, нагревание тела во время жары (естественным путем).
К вынужденной конвекции относится мешание чая ложкой, использование вентилятора, что бы охладить помещение (неестественным путем)
Конвекция не происходит если нагревать жидкости сверху (правильно снизу), потому что нагретые слои не могут опуститься ниже холодных т.к. они более тяжелее.
Конвекция в твердых телах происходить не может, потому что частицы в твердых телах колеблются возле определенной точки и удерживаются сильным взаимным притяжением. Энергия в твердых телах может передаваться теплопроводностью.
Нужна помощь в учебе?