Co znamená konvekce?
Pravděpodobně jste si všimli, že pokud necháte šálek horkého čaje na stole delší dobu, ochladne. To je způsobeno ztrátou tepla do okolí. V důsledku toho se přenos tepla popisuje jako přenos tepla nebo tepelné energie z jednoho fyzikálního systému do druhého. Pokud tedy dvě tělesa mají teplotní rozdíl, teplo se přenáší z teplejšího tělesa na chladnější. Vedení tepla, konvekce a sálání jsou tři nejběžnější způsoby přenosu tepla. V tomto příspěvku si povíme o přenosu tepla konvekcí.
Proudění
Konvekce je proces přenosu tepla pohybem velkého počtu molekul uvnitř tekutin, jako jsou plyny a kapaliny.
Počáteční přenos tepla mezi objektem a kapalinou probíhá vedením tepla, ale většina přenosu tepla probíhá v důsledku pohybu tekutiny.
Pevné látky neprocházejí konvekcí, protože se jejich základní částice nepohybují. Proces šíření tepla v pevných látkách se nazývá vedení tepla. Plyny a kapaliny jsou obvykle špatnými vodiči tepla, ale mohou teplo rychle přenášet konvekcí.
Konvekční přenos tepla: Jak to funguje?
Konvekce je proces výměny tepla mezi pevnou látkou a kapalinou nebo kapalinou, která je v kontaktu s pevnou látkou. Konvekce hraje významnou roli v přenosu tepla z jedné kapaliny do druhé přes bariéru. Konvektivní výměna tepla probíhá buď tepelnou difúzí (pohyb molekul kapaliny), nebo advekcí, při které se teplo přenáší objemovým pohybem tepelných toků v kapalině.
K tepelné roztažnosti dochází, když je jakákoli kapalina zahřívána zespodu. Hustota kapaliny se ve spodních vrstvách s zahříváním snižuje. Teplejší a méně hustá část kapaliny stoupá v důsledku vztlaku a je nahrazena hustší a chladnější kapalinou. Když se tato část zahřeje, stoupá i ona a je nahrazena chladnější vrstvou nad ní a proces se opakuje. K přenosu tepla se tedy využívá konvekce.
Konvekční typ
Konvekci lze rozdělit na dva typy:
- Přirozená konvekce
- Nucená konvekce
Přirozená konvekce: Když dojde k teplotnímu rozdílu, vznikne rozdíl v hustotě, který vytváří vztlakovou sílu a dochází ke konvekci. Tento proces se nazývá přirozená konvekce. Příkladem přirozené konvekce jsou oceánské větry.
Nucená konvekce: Dochází k ní, když se k vytvoření konvekce použije externí zdroj, jako je čerpadlo nebo ventilátor. Příkladem nucené konvekce je použití vodních bojlerů nebo ohřívačů k rychlému ohřevu vody, stejně jako použití ventilátorů v teplých letních dnech.
Newtonův zákon ochlazování
Za normálních podmínek je konvekční přenos tepla úměrný teplotnímu rozdílu mezi složkami. Tento jev byl formulován Newtonovým zákonem ochlazování, který zní:
Rychlost přenosu tepla z jakékoli látky do jejího okolí konvekcí souvisí s teplotním rozdílem mezi nimi. Teplotní rozdíl by měl být minimální a vlastnosti vyzařujícího povrchu by měly zůstat nezměněny.
Newtonův zákon ochlazování souvisí s nucenou konvekcí a zapisuje se jako:
- Viskozita
- Hustota
- Specifická tepelná kapacita
- Tepelná vodivost
Příklady konvekce
- Teplá voda se s přiblížením k rovníku pohybuje směrem k pólům, zatímco chladnější voda se pohybuje směrem k rovníku.
- Teplokrevní živočichové využívají k cirkulaci krve konvekci, která jim pomáhá regulovat tělesnou teplotu.
- Fenomén větru z moře a pevniny je jedním z nejběžnějších příkladů přirozené konvekce.
Mořský vánek: Během dne vane vítr od moře. Slunce ohřívá jak vodu, tak i pevninu. Protože voda má vyšší tepelnou kapacitu než pevnina, přijímá více sluneční energie, ale ohřívá se mnohem pomaleji. V důsledku toho stoupá teplota nad pevninou a ohřívá se vzduch v okolním prostředí.
Teplý vzduch se rozpíná, protože má menší hustotu, což způsobuje, že se nad pevninou podél pobřeží vytváří oblast nízkého tlaku. Voda je pod mnohem vyšším tlakem. Rozdíl v tlaku vzduchu způsobuje proudění vzduchu z moře na pevninu. Výsledkem je náhlý poryv větru známý jako mořský vánek .
Pozemní vánek: Když se v noci situace změní, dochází k těmto jevům. Pevnina a moře se začnou ochlazovat, podobně jako západy slunce. Kvůli rozdílům v tepelné kapacitě pevnina ztrácí teplo rychleji než voda. V důsledku toho se teplota vody zvyšuje, což vede k nízkému atmosférickému tlaku. To vytváří v blízkosti pobřeží chladný vítr, známý jako pevninský vánek.
Příklady problémů
Problém 1: Jakou roli hraje konvekce v našem každodenním životě?
Reagovat:
- Když se voda zahřeje na určitou teplotu, molekuly vody se rozpínají a cirkulují v okolí. V důsledku přenosu tepla do různých částí hrnce začne studená voda klesat, zatímco ohřátá voda stoupá.
- Vzduch uvnitř horkovzdušného balónu se neustále ohřívá, čímž se otepluje. Balón, stejně jako teplý vzduch, stoupá.
- Odpoledne je pevnina poblíž moře teplejší než večer. Díky konvekci ohřátý vzduch stoupá a je nahrazován chladnějším vzduchem. Podobně je vzduch poblíž vody v noci teplejší než vzduch poblíž pobřeží. Děje se to proto, že ohřátý vzduch stoupá a je nahrazován studeným vzduchem.
Problém 2: Proč u pevných materiálů nedochází ke konvekci?
Reagovat:
Konvekce je proces přenosu tepla pohybem částic. Protože se pevné částice nepohybují, konvekce v pevných materiálech není možná.
Problém 3: Jakými procesy dochází ke konvekci?
Reagovat:
Při přenosu tepla z jedné kapaliny do druhé přes bariéru je nezbytná konvekce. Konvekční přenos tepla probíhá buď tepelnou difúzí (pohyb molekul kapaliny), nebo advekcí, při které se teplo přenáší objemovým pohybem tepelných proudů v kapalině.
Problém 4: Co znamená „volná“ nebo „přirozená“ konvekce?
Reagovat:
Mechanismus přenosu tepla se považuje za volnou nebo přirozenou konvekci, pokud je pohyb tekutiny způsoben změnou hustoty v důsledku teplotních gradientů.
Problém 5: Přirozená nebo nucená konvekce, která má vyšší součinitel přestupu tepla? Jaký je pro to důvod?
Reagovat:
Protože koeficient přestupu tepla konvekcí je primárně určen charakteristikami, jako je hustota kapaliny, rychlost a viskozita, je obecně větší u nucené konvekce než u přirozené konvekce.