Jos tuot kätesi lähemmäksi kytkettyä sähkölamppua tai asetat kämmenen kuuman lieden päälle, voit tuntea lämpimien ilmavirtojen liikkeen. Sama vaikutus voidaan havaita, kun paperiarkkia heilutetaan avoimen liekin päällä. Molemmat vaikutukset selittyvät konvektiolla.
Mikä se on?
Konvektioilmiö perustuu kylmemmän aineen laajenemiseen kosketuksessa kuumien massojen kanssa. Tällaisissa olosuhteissa kuumennettu aine menettää tiheytensä ja tulee kevyemmäksi verrattuna sitä ympäröivään kylmään tilaan. Tämä ilmiön ominaisuus vastaa tarkimmin lämpövirtojen liikettä, kun vettä lämmitetään.
Molekyylien liike vastakkaisiin suuntiin lämmityksen vaikutuksesta on juuri se, mihin konvektio perustuu. Säteily ja lämmönjohtavuus ovat samanlaisia prosesseja, mutta ne koskevat ensisijaisesti lämpöenergian siirtymistä kiinteissä aineissa.
Eläviä esimerkkejä konvektiosta - lämpimän ilman liike lämmitetyn huoneen keskellälaitteet, kun lämmitetyt virrat liikkuvat katon alla ja kylmä ilma laskeutuu lattian pinnalle. Tästä syystä, kun lämmitys on päällä, ilma huoneen yläosassa on huomattavasti lämpimämpää kuin huoneen alaosassa.
Arkhimedesin laki ja fyysisten kappaleiden lämpölaajeneminen
Ymmärtääkseen, mitä luonnollinen konvektio on, riittää, kun tarkastellaan prosessia Arkhimedes-lain esimerkin ja kappaleiden laajenemisilmiön avulla lämpösäteilyn vaikutuksesta. Joten lain mukaan lämpötilan nousu johtaa välttämättä nesteen tilavuuden kasvuun. Säiliöissä alha alta lämmitetty neste nousee korkeammalle ja vastaavasti tiheämpi kosteus liikkuu alemmas. Ylhäältä lämmitettäessä enemmän ja vähemmän tiheitä nesteitä jää paikoilleen, jolloin ilmiötä ei tapahdu.
Konseptin syntyminen
Termin "konvektio" ehdotti ensimmäisen kerran englantilainen tiedemies William Prout vuonna 1834. Sitä käytettiin kuvaamaan lämpömassojen liikettä kuumennetuissa, liikkuvissa nesteissä.
Ensimmäiset teoreettiset tutkimukset konvektioilmiöstä alkoivat vasta vuonna 1916. Kokeiden aikana havaittiin, että siirtyminen diffuusiosta konvektioon alha alta lämmitetyissä nesteissä tapahtuu, kun tietyt kriittiset lämpötila-arvot saavutetaan. Myöhemmin tämä arvo määriteltiin "rullan numeroksi". Se sai nimensä sitä tutkineen tutkijan mukaan. Kokeiden tulokset mahdollistivat lämpövirtojen liikkeen selittämisen Arkhimedesen voimien vaikutuksesta.
Konvektiotyypit
Kuvailemaamme ilmiötä on useita - luonnollinen ja pakotettu konvektio. Esimerkki kuuman ja kylmän ilman liikkeistä huoneen keskellä on paras tapa luonnehtia luonnollisen konvektion prosessia. Mitä tulee pakotettuun, se voidaan havaita sekoittaessasi nestettä lusikalla, pumpulla tai sekoittimella.
Konvektio on mahdotonta, kun kiinteitä aineita kuumennetaan. Tämä johtuu melko voimakkaasta keskinäisestä vetovoimasta niiden kiinteiden hiukkasten värähtelyn aikana. Kiinteiden rakennekappaleiden kuumenemisen seurauksena konvektiota ja säteilyä ei tapahdu. Lämmönjohtavuus korvaa nämä ilmiöt tällaisissa kappaleissa ja myötävaikuttaa lämpöenergian siirtoon.
Ns. kapillaarikonvektio on erillinen tyyppi. Prosessi tapahtuu, kun lämpötila muuttuu nesteen liikkuessa putkien läpi. Luonnollisissa olosuhteissa tällaisen konvektion merkitys luonnollisen ja pakotetun konvektion ohella on erittäin merkityksetön. Avaruusteknologiassa kapillaarikonvektiosta, säteilystä ja materiaalien lämmönjohtavuudesta tulee kuitenkin erittäin merkittäviä tekijöitä. Jopa heikoimmat konvektiiviset liikkeet painottomissa olosuhteissa vaikeuttavat joidenkin teknisten tehtävien toteuttamista.
Konvektio maankuoren kerroksissa
Konvektioprosessit liittyvät erottamattomasti kaasumaisten aineiden luonnolliseen muodostumiseen maankuoren paksuudessa. Maapalloa voidaan pitää pallona, joka koostuu useista samankeskisistä kerroksista. Keskellä on massiivinen kuuma ydin, joka on korkeatiheyksinen nestemäinen massa, joka sisältää rautaa,nikkeli sekä muut metallit.
Maapallon ydintä ympäröivät kerrokset ovat litosfääri ja puolinestemäinen vaippa. Maapallon ylin kerros on suoraan maankuorta. Litosfääri muodostuu yksittäisistä levyistä, jotka ovat vapaassa liikkeessä ja liikkuvat nestevaipan pintaa pitkin. Vaipan eri osien ja eri koostumukseltaan ja tiheydeltään eroavien kivien epätasaisen kuumenemisen aikana muodostuu konvektiivisia virtauksia. Tällaisten virtausten vaikutuksesta tapahtuu merenpohjan luonnollinen muutos ja kantavien maanosien liike.
Konvektion ja lämmönjohtavuuden erot
Lämmönjohtavuus tulisi ymmärtää fyysisten kappaleiden kykynä siirtää lämpöä atomi- ja molekyyliyhdisteiden liikkeen kautta. Metallit ovat erinomaisia lämmönjohtimia, koska niiden molekyylit ovat läheisessä kosketuksessa toistensa kanssa. Päinvastoin, kaasumaiset ja haihtuvat aineet toimivat huonoina lämmönjohtimina.
Miten konvektio tapahtuu? Prosessin fysiikka perustuu lämmön siirtymiseen, joka johtuu ainemolekyylien massan vapaasta liikkuvuudesta. Lämmönjohtavuus puolestaan koostuu yksinomaan energian siirrosta fyysisen kappaleen aineosien välillä. Molemmat prosessit ovat kuitenkin mahdottomia ilman ainehiukkasten läsnäoloa.
Esimerkkejä ilmiöstä
Yksinkertaisin ja ymmärrettävin esimerkki konvektiosta on tavallisen jääkaapin prosessi. Levikkijäähdytetty freonikaasu jäähdytyskammion putkien läpi johtaa ylempien ilmakerrosten lämpötilan laskuun. Näin ollen kylmät vajoavat korvautuessaan lämpimämmillä virroilla alas ja jäähdyttävät siten tuotteita.
Jääkaapin takapaneelissa oleva arina toimii elementtinä, joka helpottaa yksikön kompressorissa kaasupuristuksen aikana muodostuneen lämpimän ilman poistamista. Myös verkkojäähdytys perustuu konvektiivisiin mekanismeihin. Tästä syystä jääkaapin takana olevaa tilaa ei suositella. Loppujen lopuksi vain tässä tapauksessa jäähdytys voi tapahtua ilman vaikeuksia.
Muitakin esimerkkejä konvektiosta voidaan nähdä tarkkailemalla sellaista luonnonilmiötä kuin tuulen liike. Lämpenevät kuivien maanosien yli ja jäähtyvät ankarammassa maastossa, ilmavirrat alkavat syrjäyttää toisiaan ja saavat ne liikkumaan sekä siirtämään kosteutta ja energiaa.
Lintujen ja purjelentokoneiden mahdollisuus on sidottu konvektioon. Vähemmän tiheät ja lämpimät ilmamassat, joissa on epätasainen lämpeneminen lähellä maan pintaa, johtavat nousevien virtojen muodostumiseen, mikä edistää huiman nousuprosessia. Voittaakseen suurimmat etäisyydet ilman voiman ja energian kulutusta linnut tarvitsevat kyvyn löytää tällaiset purot.
Hyviä esimerkkejä konvektiosta ovat savun muodostuminen savupiipuissa ja tulivuoren kraattereissa. Savun liike ylöspäin perustuu sen korkeampaan lämpötilaan ja pienempään tiheyteen verrattuna ympäristöönsä. Kun savu jäähtyy, se laskeutuu vähitellen ilmakehän alempiin kerroksiin. Juuri tästä syystäteollisuusputket, joiden kautta haitallisia aineita vapautuu ilmakehään, tehdään mahdollisimman korkealle.
Yleisimmät esimerkit konvektiosta luonnossa ja tekniikassa
Yksinkertaisimmista, helposti ymmärrettävistä esimerkeistä, joita voidaan havaita luonnossa, arjessa ja tekniikassa, on syytä korostaa:
- ilmavirta kotitalouksien lämmitysakkujen käytön aikana;
- pilvien muodostuminen ja liikkuminen;
- tuulen, monsuunien ja tuulien liikeprosessi;
- tektonisten maalevyjen siirtymä;
- prosessit, jotka johtavat vapaaseen kaasun muodostumiseen.
Ruoanlaitto
Yhä useammin konvektio-ilmiö toteutuu nykyaikaisissa kodinkoneissa, erityisesti uuneissa. Konvektiolla varustetun kaasukaapin avulla voit valmistaa erilaisia ruokia samanaikaisesti eri tasoilla eri lämpötiloissa. Tämä eliminoi täysin makujen ja tuoksujen sekoittumisen.
Perinteinen uuni lämmittää ilman yhden polttimen, mikä johtaa epätasaiseen lämmön jakautumiseen. Kuumailmavirtojen tarkoituksenmukaisen liikkeen ansiosta erikoistuulettimen avulla kiertoilmauunissa olevat ruoat osoittautuvat mehukkaammiksi ja paremmin paistetuiksi. Tällaiset laitteet lämpenevät nopeammin, mikä lyhentää ruoanlaittoon tarvittavaa aikaa.
Tietenkin vain muutaman kerran vuodessa uunissa valmistaville kotiäidille kodinkone, jossakonvektion funktiota ei voida kutsua välttämättömäksi tekniikaksi. Kuitenkin niille, jotka eivät voi elää ilman kulinaarisia kokeiluja, tällaisesta laitteesta tulee yksinkertaisesti välttämätön keittiössä.
Toivomme, että esitetystä materiaalista oli sinulle hyötyä. Onnea!
