KONVEKCIÓ: JELLEMZŐK, PÉLDÁK, ALKALMAZÁSOK - FIZIKAI - 2026

A konvekció egyike annak a három mechanizmusnak, amely hőt továbbít az egyik zónából egy másik melegebb hűtőbe. Erre a folyadék tömegének mozgása miatt kerül sor, amely folyadék vagy gáz lehet. Mindenesetre ehhez a mechanizmushoz szükség van anyagi közegre.

Minél gyorsabban mozog a szóban forgó folyadék, annál gyorsabb a hőenergia átvitele a különböző hőmérsékleti tartományok között. Ez folyamatosan zajlik a légköri légtömegekkel: a felhajtóerő biztosítja, hogy a melegebb és a kevésbé sűrűek emelkedjenek, míg a hidegebb és a sűrűbbek leereszkedjenek.

1. ábra A helyiséget az ajtó kinyitásával hűtik, mivel a kevésbé sűrű meleg levegő (piros nyíl) felmegy és kijön belőle. Forrás: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Erre példa a képen látható zárt szoba, amelyet azonnal felfrissítenek, amint kinyitják az ajtókat vagy ablakokat, mivel a belső forró levegő a repedésekön keresztül is kiszivárog, így kívülről érve a friss levegőt, amely még inkább fennmarad le.

A konvekció típusai

Természetes és kényszerkonvekció

2. ábra. A kényszerkonvekció és a természetes konvekció példái. Forrás: Cengel, Y. Termodinamika.

A konvekció lehet természetes vagy erőszakos. Az első esetben a folyadék önmagában mozog, mint amikor a helyiség ajtaját kinyitja, míg a második esetben például egy ventilátor vagy egy szivattyú kényszeríti.

Diffúzió és advekció

Két változat is lehet: diffúzió és advekció. A diffúzió során a folyadék molekulái többé-kevésbé véletlenszerűen mozognak, és a hő átadása lassú.

Ezzel szemben az advekció jó mennyiségű folyadéktömeggel mozog, amelyet például úgy lehet elérni, hogy a konvekciót ventillátorral kényszerítik. De az advekció előnye, hogy sokkal gyorsabb, mint a diffúzió.

¿

A konvektív hőátadás egyszerű matematikai modellje Newton hűtési törvénye. Vegye figyelembe az A terület forró felületét, hűvösebb levegővel körülvéve, úgy, hogy a hőmérséklet-különbség kicsi legyen.

Hívjuk a továbbadott hőt Q-vel és t idővel. A hőátadási sebesség dQ / dt vagy az idő függvényében a Q (t) függvényből származik.

Mivel a hő hőenergia, annak egységei a Nemzetközi Rendszerben džaulokban vannak (J), ezért az átviteli sebesség džaulokban / másodpercben adódik, ami watt vagy watt (W).

Ez a sebesség közvetlenül arányos a forró tárgy és a közeg közötti hőmérsékleti különbséggel, amelyet ΔT-nek jelölnek, valamint a tárgy A felületével:

Az arányosság konstansát h-nak nevezzük, amely a konvekciós hőátadási együttható és kísérletileg meghatározva. Egységei a Nemzetközi Rendszerben (SI) W / m ². K, de ezt általában a Celsius-fokban vagy a Celsius-fokban kell megadni.

Fontos megjegyezni, hogy ez az együttható nem folyadék tulajdonság, mivel számos változótól függ, például a felület geometriájától, a folyadék sebességétől és más jellemzőitől.

A fentiek összesítésével a matematikailag Newton hűtési törvénye így alakul:

Newton hűtési törvényének alkalmazása

Egy személy 20 ° C-os szoba közepén áll, amelyen keresztül enyhe szellő fúj. Milyen hőmennyiséget ad az ember a konvekcióval a környezetbe? Tegyük fel, hogy a kitett felület 1,6 m ², a bőr felszíni hőmérséklete pedig 29 ºC.

Tény: a konvekciós hőátadási együttható ebben az esetben 6 W / m ². ºC

Megoldás

Az ember hőt továbbíthatja a körülötte lévő levegőbe, mivel az mozgásban van, amikor a szellő fúj. A dQ / dt átviteli sebesség megállapításához egyszerűen dugja be az értékeket a Newton egyenletébe a hűtéshez:

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

Példák a konvekcióra

Melegítse fel kezét egy tábortűz felett

Gyakori, hogy melegítse a kezét tábortűzhez vagy forró kenyérpirítóhoz közelítve, mivel a hőforrás körüli levegő viszont felmelegszik és kiszélesedik, mert kevésbé sűrű. Keringés közben ez a meleg levegő beborítja és felmelegíti a kezét.

3. ábra A kezek melegítésének egyik módja a tűz által a levegőben létrehozott konvekciós áram. Forrás: Pxfuel.

Légáramlás a tengerparton

A tengerparton a tenger hidegebb, mint a szárazföld, tehát a föld feletti levegő felmelegszik és felmelegszik, miközben a hidegebb levegő megérkezik, és felszálláskor a másik által hagyott helyre telepedik le.

Ezt konvekciós cellának nevezik, és ez az oka annak, hogy hidegebbnek érzi magát, amikor a tengerre néz, és a szél fúj az arcoddal egy forró napon. Éjszaka ellenkezőleg történik, a hűvös szellő a szárazföldről származik.

A víz körforgása

A természetes konvekció az óceáni partok levegőjében zajlik, a hidrológiai cikluson keresztül, amelyben a vizet felmelegítik és párologtatják a napsugárzásnak köszönhetően. Az így képződött vízgőz felhőkké emelkedik, lehűl és kondenzálódik, amelynek tömege konvekcióval növekszik és növekszik.

A vízcseppek méretének növelésével eljön az idő, amikor a víz hőmérséklettől függően eső, szilárd vagy folyékony csapadék formájában csapódik le.

Forraljuk fel a vizet egy tartályban

Amikor a vizet a vízforralóba vagy az edénybe helyezik, először felmelegítik az aljára legközelebb lévő rétegeket, mivel a láng vagy az égőből származó hő a legközelebb van. Ezután a víz kitágul és sűrűsége csökken, ezért felmegy és a hidegebb víz veszi helyét a tartály alján.

4. ábra. Vízmelegítés konvekciós úton. Forrás: wikimedia Commons. Felhasználó: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Ily módon az összes réteg gyorsan kering és a teljes víztest felmelegszik. Ez egy jó példa az advekcióra.

Szélgeneráció

A levegőtömegben a konvekció és a föld forgási mozgása szeleket hoz, miközben a hideg levegő mozog és forog a forró levegő alatt, különféle áramokat hozva létre, amelyeket konvekciós áramoknak neveznek.

óceáni áramlatok

A víz hasonlóan viselkedik, mint a levegő a légkörben. A melegebb vizek szinte mindig a felszín közelében vannak, míg a hidegebb vizek mélyebbek.

Dinamikus hatás

A bolygó belsejében lévő megolvadt magban fordul elő, ahol kombinálódik a Föld forgási mozgásával, olyan elektromos áramot generálva, amely a Föld mágneses mezőjéhez vezet.

Az energia átadása a csillagokon belül

A csillagok, mint a Nap, hatalmas gázgömbök. A konvekció egy hatékony energiaszállító mechanizmus, mivel a gáznemű molekulák elegendő szabadsággal rendelkeznek a csillagok belső területei közötti mozgáshoz.

Konvekciós alkalmazások

légkondícionálók

A légkondicionálót a helyiségek mennyezete közelében kell elhelyezni, hogy a sűrűbb hűtött levegő gyorsan lejön és lehűljön a padlóhoz.

Hőcserélők

Ez egy olyan eszköz, amely lehetővé teszi a hő továbbítását az egyik folyadékról a másikra, és például az autómotor légkondicionálóinak és hűtési mechanizmusainak működési elve.

Hőszigetelők az épületekben

Ezeket úgy gyártják, hogy a szigetelőanyag lemezeit egyesítik, és légbuborékokat adnak a belsejükbe.

hűtő tornyok

Hűtőtornyoknak is nevezik, amelyek arra szolgálnak, hogy az atomerőművek, olajfinomítók és más különféle ipari létesítmények által termelt hőt a talaj vagy a víz helyett a levegőbe juttassák.

Irodalom

1. Giambattista, A. 2010. Fizika. 2.. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Vezetés, konvekció és sugárzás. Helyreállítva: eltamiz.com.
3. Natahenao. Hő alkalmazások. Helyreállítva: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fizika a tudomány és a technika számára. 1. kötet. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konvekció. Helyreállítva: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvekciós hőkezelés. Helyreállítva: fr.wikipedia.org.