KONVEKTION: EGENSKABER, EKSEMPLER, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den konvektion er en af de tre mekanismer, der overføres varme fra en zone til en anden varmere køligere. Det finder sted på grund af bevægelsen af ​​en væskes masse, der kan være en væske eller en gas. Under alle omstændigheder kræves der altid et materielt medium for at denne mekanisme kan finde sted.

Jo hurtigere bevægelsen af ​​den pågældende væske er, desto hurtigere overføres termisk energi mellem zoner med forskellige temperaturer. Dette sker kontinuerligt med atmosfæriske luftmasser: opdrift sikrer, at de varmere og mindre tætte stiger, mens de koldere og tættere dem falder ned.

Figur 1. Et rum afkøles ved at åbne døren, da den varme luft (rød pil) og mindre tæt stiger op og slipper ud af det. Kilde: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Et eksempel på dette er det lukkede rum på billedet, som straks afkøles, så snart døre eller vinduer åbnes, da den varme luft indefra slipper ud gennem revnerne, hvilket giver plads til den friske luft udefra, der forbliver mere ned.

Konvektionstyper

Naturlig og tvungen konvektion

Figur 2. Eksempler på tvungen konvektion og naturlig konvektion. Kilde: Cengel, Y. Thermodynamics.

Konvektion kan være naturlig eller tvunget. I det første tilfælde bevæger væsken sig selv, som når man åbner døren til rummet, mens den i det andet tvinges af f.eks. En ventilator eller en pumpe.

Diffusion og adection

Der kan også være to varianter: diffusion og adception. Under diffusion bevæger molekylerne i væsken sig mere eller mindre tilfældigt, og transmissionen af ​​varme er langsom.

I modsætning hertil bevæges advektion en god mængde fluidmasse, som kan opnås ved for eksempel at tvinge konvektion med en ventilator. Men fordelen ved adection er, at det er meget hurtigere end diffusion.

¿

En simpel matematisk model for konvektiv varmeoverførsel er Newtons lov om køling. Overvej en varm overflade i område A omgivet af køligere luft, så forskellen i temperatur er lille.

Lad os kalde den overførte varme Q og tid t. Den hastighed, hvormed varme overføres, er dQ / dt eller afledt af funktionen Q (t) med hensyn til tid.

Da varme er termisk energi, er dens enheder i det internationale system joule (J), derfor overføres hastigheden i joule / sekund, som er watt eller watt (W).

Denne hastighed er direkte proportional med forskellen i temperatur mellem den varme genstand og mediet, betegnet som ΔT og også til objektets overfladeareal A:

Proportionalitetskonstanten kaldes h, der er koefficienten for varmeoverførsel ved konvektion og bestemmes eksperimentelt. Enheder i det internationale system (SI) er W / m ². K, men det er almindeligt at finde det i form af grader Celsius eller celsius.

Det er vigtigt at bemærke, at denne koefficient ikke er en fluidegenskab, da den afhænger af flere variabler, såsom overfladenes geometri, fluidets hastighed og andre egenskaber.

Ved at kombinere alt det ovenstående tager matematisk Newtons lov om køling denne form:

Anvendelse af Newtons lov om køling

En person står midt i et rum 20 ° C, gennem hvilket der blæser en let brise. Hvad er den varmehastighed, som personen transmitterer til miljøet ved konvektion? Antag, at det eksponerede overfladeareal er 1,6 m ^2, og overfladetemperaturen på huden er 29 ºC.

Fakta: konvektionsvarmeoverførselskoefficienten er i dette tilfælde 6 W / m ². ºC

Løsning

Personen kan overføre varme til luften omkring dem, da den er i bevægelse, når vinden blæser. For at finde overførselshastigheden dQ / dt skal du blot sætte værdierne i Newtons ligning til afkøling:

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

Eksempler på konvektion

Varm hænderne over et bål

Det er almindeligt at varme dine hænder ved at bringe dem tæt på et lejrbål eller en varm brødrister, da luften omkring varmekilden igen bliver varm og ekspanderer, og stiger, fordi den er mindre tæt. Når den cirkulerer, indhyller og varmes denne varme luft dine hænder.

Figur 3. En måde at varme dine hænder på er gennem konvektionsstrømmen, der opstår i luften af ​​ilden. Kilde: Pxfuel.

Luftstrømning ved kysten

Ved kysten er havet koldere end landet, så luften over landet varmes op og stiger, mens den koldere luft ankommer og sætter sig i det rum, som denne anden efterlader, når den stiger op.

Dette kaldes en konvektionscelle og er grunden til, at det føles køligere, når man ser ud til havet, og vinden blæser mod dit ansigt på en varm dag. Om natten sker det modsatte, den kølige brise kommer fra land.

Vandcyklussen

Naturlig konvektion forekommer i luften i de oceaniske kyster gennem den hydrologiske cyklus, hvor vand opvarmes og fordampes takket være solstråling. Den således dannede vanddamp stiger, afkøles og kondenseres til skyer, hvis masser øges og stiger ved konvektion.

Ved at øge størrelsen af ​​vanddråberne kommer der et tidspunkt, hvor vandet udfældes i form af regn, fast stof eller væske, afhængigt af temperaturen.

Kog vand i en beholder

Når vandet anbringes i kedlen eller gryden, varmes lagene tættest på bunden først, da flammen eller varmen fra brænderen er tættest. Derefter udvides vandet, og dens densitet falder, derfor stiger det, og det koldere vand indtager sin plads i bunden af ​​beholderen.

Figur 4. Vandopvarmning ved konvektion. Kilde: wikimedia Commons. Bruger: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

På denne måde cirkulerer alle lag hurtigt, og hele vandmassen opvarmes. Dette er et godt eksempel på vejledning.

Vindproduktion

Konvektion i luftmasser, sammen med jordens rotationsbevægelse, producerer vinde, når kold luft bevæger sig og cirkulerer under varm luft, hvilket skaber forskellige strømme kaldet konvektionsstrømme.

Havstrømme

Vand opfører sig på en måde, der ligner luftens atmosfære. Varmere farvande er næsten altid nær overfladen, mens køligere farvande er dybere.

Dynamo-effekt

Det forekommer i den smeltede kerne inde i planeten, hvor den kombineres med jordens rotationsbevægelse, hvilket genererer elektriske strømme, der giver anledning til jordens magnetiske felt.

Overførsel af energi inde i stjernerne

Stjerner som solen er enorme kugler af gas. Konvektion er en effektiv energitransportmekanisme der, da gasformige molekyler har tilstrækkelig frihed til at bevæge sig mellem områder af det indre af stjerner.

Ansøgninger om konvektion

klimaanlæg

Klimaanlægget er placeret nær lofterne på værelserne, så den afkølede luft, der er tættere, falder ned og afkøles hurtigt nærmere gulvet.

Varmevekslere

Det er en anordning, der tillader transmission af varme fra en væske til en anden og er for eksempel princippet om betjening af klimaanlæg og kølemekanismer for bilmotoren.

Termiske isolatorer i bygninger

De er lavet ved at kombinere lag isoleringsmateriale og tilføje luftbobler inde.

køletårne

De kaldes også køletårne ​​og tjener til at bortskaffe den varme, der produceres af kernekraftværker, olieraffinaderier og andre forskellige industrielle anlæg i luften i stedet for til jorden eller til vandet.

Referencer

1. Giambattista, A. 2010. Fysik. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Ledning, konvektion og stråling. Gendannes fra: eltamiz.com.
3. Natahenao. Varme applikationer. Gendannes fra: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fysik for videnskab og teknik. Bind 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konvektion. Gendannet fra: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvektion termik. Gendannet fra: fr.wikipedia.org.