KONVEKCIA: VLASTNOSTI, PRÍKLADY, APLIKÁCIE - FYZICKÝ - 2026

Konvekcia je jedným z troch mechanizmov, že teplo sa prenáša z jednej zóny do druhej teplejšie chladič. Deje sa to kvôli pohybu hmoty tekutiny, ktorou môže byť kvapalina alebo plyn. V každom prípade je na uskutočnenie tohto mechanizmu vždy potrebné materiálne médium.

Čím rýchlejší je pohyb príslušnej tekutiny, tým rýchlejší je prenos tepelnej energie medzi zónami rôznych teplôt. Toto sa deje nepretržite s atmosférickými vzduchmi: vztlak zaisťuje, že teplejšie a menej husté stúpajú, zatiaľ čo chladnejšie a hustejšie zostupujú.

Obrázok 1. Otvorením dverí sa ochladí miestnosť, pretože horúci vzduch (červená šípka) a menej husté stúpa a uniká z neho. Zdroj: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Príkladom je uzavretá miestnosť na obrázku, ktorá sa okamžite osvieži ihneď po otvorení dverí alebo okien, pretože horúci vzduch zvnútra uniká aj cez praskliny, čím sa uvoľňuje čerstvý vzduch zvonku, ktorý zostáva viac nadol.

Druhy prúdenia

Prirodzené a nútené prúdenie

Obrázok 2. Príklady núteného prúdenia a prirodzeného prúdenia. Zdroj: Cengel, Y. Termodynamika.

Konvekcia môže byť prirodzená alebo nútená. V prvom prípade sa tekutina pohybuje sama o sebe, napríklad pri otváraní dverí do miestnosti, zatiaľ čo v druhom je tlačená napríklad ventilátorom alebo čerpadlom.

Difúzia a poradenstvo

Môžu existovať aj dva varianty: difúzia a usmerňovanie. Pri difúzii sa molekuly tekutiny pohybujú viac-menej náhodne a prenos tepla je pomalý.

Naproti tomu usmernenie posúva dobré množstvo tekutej hmoty, čo sa dá dosiahnuť napríklad vynútením konvekcie s ventilátorom. Výhoda rady je však v tom, že je oveľa rýchlejšia ako šírenie.

¿

Jednoduchý matematický model konvekčného prenosu tepla je Newtonov zákon chladenia. Zvážte horúci povrch oblasti A obklopený chladným vzduchom, aby bol rozdiel teplôt malý.

Nazvime teplo Q a čas t prenášané teplom. Rýchlosť, pri ktorej sa teplo prenáša, je dQ / dt alebo je odvodená z funkcie Q (t) s ohľadom na čas.

Pretože teplo je tepelná energia, jeho jednotkami v medzinárodnom systéme sú jouly (J), preto prenosová rýchlosť je v jouloch za sekundu, čo sú watty alebo watty (W).

Táto rýchlosť je priamo úmerná rozdielu teplôt medzi horúcim predmetom a médiom, označeným ako ΔT a tiež k povrchovej ploche A predmetu:

Konštanta proporcionality sa nazýva h, čo je koeficient prenosu tepla prúdením a určuje sa experimentálne. Jeho jednotky v medzinárodnom systéme (SI) sú W / m ² . K, ale je bežné nájsť ju v stupňoch Celzia alebo Celzia.

Je dôležité si uvedomiť, že tento koeficient nie je vlastnosťou tekutiny, pretože závisí od niekoľkých premenných, ako je geometria povrchu, rýchlosť tekutiny a ďalšie charakteristiky.

Kombináciou všetkých vyššie uvedených, matematicky Newtonov zákon chladenia má túto formu:

Uplatňovanie Newtonovho zákona o chladení

V strede miestnosti stojí osoba 20 ° C, cez ktorú fúka slabý vánok. Aká je rýchlosť tepla, ktorú človek prenáša do prostredia prúdením? Predpokladajme, že exponovaná plocha povrchu je 1,6 m ² a teplota povrchu pokožky je 29 ºC.

Fakt : v tomto prípade je koeficient prestupu tepla konvekciou 6 W / m ² . ºC

Riešenie

Osoba môže prenášať teplo do vzduchu okolo seba, pretože je v pohybe, keď vietor fúka. Ak chcete nájsť prenosovú rýchlosť dQ / dt, jednoducho vložte hodnoty do Newtonovej rovnice pre chladenie:

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

Príklady prúdenia

Zahrejte si ruky na oheň

Je bežné, že si ruky zahrejete tak, že ich budete priblížiť k ohňu alebo horúcemu hriankovaču, pretože vzduch obklopujúci zdroj tepla sa zahrieva a rozširuje, stúpa, pretože je menej hustý. Počas cirkulácie tento horúci vzduch obaluje a ohrieva ruky.

Obrázok 3. Jedným zo spôsobov, ako si zohriať ruky, je prúdenie vzduchu, ktorý vytvára oheň vo vzduchu. Zdroj: Pxfuel.

Prúd vzduchu na pobreží

Na pobreží je more chladnejšie ako pevnina, takže vzduch nad zemou sa zahrieva a stúpa, zatiaľ čo chladnejší vzduch prichádza a usadzuje sa v priestore, ktorý zostal pri stúpaní.

Toto sa nazýva konvekčná bunka a je to dôvod, prečo sa cíti chladnejšie, keď sa pozeráte na more a v horúcom dni vám vane fúka do tváre. V noci sa stane opak, chladný vánok pochádza zo zeme.

Vodný cyklus

Prirodzená konvekcia sa vyskytuje vo vzduchu na oceánskych pobrežiach prostredníctvom hydrologického cyklu, v ktorom sa voda zohrieva a odparuje vďaka slnečnému žiareniu. Takto vytvorená vodná para stúpa, ochladzuje a kondenzuje v oblakoch, ktorých hmotnosti stúpajú a stúpajú prúdením.

Zvýšením veľkosti kvapiek vody nastáva čas, keď sa voda v závislosti od teploty zráža vo forme dažďa, pevnej látky alebo kvapaliny.

V nádobe prevarte vodu

Keď je voda umiestnená v kanvici alebo panvici, vrstvy najbližšie k dnu sa najskôr zahrievajú, pretože plameň alebo teplo z horáka je najbližšie. Potom voda expanduje a jej hustota klesá, preto stúpa a chladnejšia voda zaujme svoje miesto na dne nádoby.

Obrázok 4. Ohrev vody prúdením. Zdroj: wikimedia Commons. Užívateľ: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Týmto spôsobom všetky vrstvy rýchlo cirkulujú a celé telo vody sa zahrieva. Toto je dobrý príklad rady.

Generovanie vetra

Konvekcia vo vzduchových hmotách spolu s rotačným pohybom Zeme vytvára vetra, keď sa studený vzduch pohybuje a cirkuluje pod horúcim vzduchom, čím vytvára rôzne prúdy nazývané konvekčné prúdy.

Oceánske prúdy

Voda sa správa podobne ako vzduch v atmosfére. Teplejšie vody sú takmer vždy blízko povrchu, zatiaľ čo chladnejšie vody sú hlbšie.

Dynamo efekt

Vyskytuje sa v roztavenom jadre vo vnútri planéty, kde sa kombinuje s rotačným pohybom Zeme a vytvára elektrické prúdy, ktoré vytvárajú zemské magnetické pole.

Prenos energie vo vnútri hviezd

Hviezdy ako Slnko sú obrovské sféry plynu. Konvekcia je tam účinný mechanizmus prenosu energie, pretože plynné molekuly majú dostatočnú slobodu na pohyb medzi oblasťami vnútra hviezd.

Aplikácie prúdenia

klimatizácie

Klimatizácia je umiestnená blízko stropu miestností, takže ochladený vzduch, ktorý je hustejší, rýchlo klesá a ochladzuje bližšie k podlahe.

Tepelné výmenníky

Je to zariadenie, ktoré umožňuje prenos tepla z jednej tekutiny do druhej a je napríklad princípom činnosti klimatizačných a chladiacich mechanizmov automobilového motora.

Tepelné izolátory v budovách

Vyrábajú sa kombináciou listov izolačného materiálu a pridaním vzduchových bublín dovnútra.

chladiace veže

Tiež sa nazývajú chladiace veže a slúžia na zneškodňovanie tepla, ktoré produkujú jadrové elektrárne, ropné rafinérie a iné rôzne priemyselné zariadenia, do vzduchu namiesto do zeme alebo do vody.

Referencie

1. Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2 .. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Vedenie, prúdenie a žiarenie. Získané z: eltamiz.com.
3. Natahenao. Tepelné aplikácie. Obnovené z: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 1. 7.. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konvekcia. Obnovené z: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvekčná terapia. Obnovené z: fr.wikipedia.org.