Где применяется конвекция: Конвекция в природе и технике – примеры, сообщение для доклада по физике (7-8 класс)

Содержание

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНВЕКЦИИ

ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ

Сущность теплопередачи конвекцией уже была кратко объяс­нена на стр. 20. Теплопередача этого вида всегда связана с пере­мещением микрообъемов теплопередающего вещества, которые поочередно приходят в соприкосновение с поверхностью нагрева или охлаждения. В зависимости от того, является ли это движе­ние микрообъемов вынужденным (при внешнем перепаде давле­ний) или свободным (вызванным только действием подъемной силы), различают вынужденную и свободную конвекцию. Наряду с передачей тепла конвективными потоками всегда существует передача тепла теплопроводностью. Однако почти все газы и большинство жидкостей проводят тепло так плохо, что количество его, передаваемое теплопроводностью, исчезающе мало по срав­нению с количеством, переносимым конвекцией. |

Примером может служить известный опыт с пробиркой, напол­ненной водой, на дне которой лежит кусочек льда. Если нагревать пробирку сверху, то можно заставить воду в верхней части про­бирки кипеть длительное время, тогда как на дне ее лед еще не растаял. Причина заключается в том, что горячая вода вследствие „.своего меньшего удельного веса спокойно остается наверху. Поэ­тому тепло на дно пробирки может передаваться лишь путем теп­лопроводности согласно закону Фурье [уравнение (2, а)], а этого тепла не достаточно, чтобы быстро расплавить лед. Картина бу­дет совершенно иной, если пробирку нагревать снизу, причем ку­сок льда может находиться в любом месте, например в верхней части пробирки. В этом случае нагретая вода тотчас же подни­мется кверху и перенесет тепло конвекцией к куску льда, который быстро плавится. Такого же результата можно достичь и в пер­вом опыте, если пробирку встряхивать. В этом случае свободная конвекция, наступающая при нагревании снизу, заменяется вы­нужденной конвекцией.

Другим примером малой роли теплопроводности по сравнению с конвекцией могут служить приборы комнатного отопления, ко­торые нельзя располагать под потолком, а лишь около пола, что­бы обеспечить появление конвективных потоков. Однако при рас-

Смотрении передачи тепла конвекцией нельзя совершенно прене­брегать теплопроводностью. По теории Л. Прандтля в любом по­токе в непосредственной близости от ограничивающих поверхно­стей возникает тонкий «пограничный слой», который находится в более или менее спокойном состоянии или во всяком случае в состоянии ламинарного движения. Через этот пограничный слой тепло передается только теплопроводностью и лишь после него— конвекцией. Но, так как речь идет об очень тонком слое, доста­точно, согласно уравнению (2а), очень маленькой разницы тем­ператур, чтобы тепло прошло через этот пограничный слой.

Физическая разница между теплопередачей теплопроводно­стью и конвекцией состоит главным образом в величине частиц теплоносителя. По кинетической теории тепла теплопроводность состоит в передаче энергии колебаний от более быстрых, следова­тельно, колеблющихся сильнее молекул молекулам, колеблющим­ся менее интенсивно; кроме того, в газах и жидкостях играет роль материальный обмен молекулами между соседними слоями, в которых молекулы движутся с различными скоростями.2 = 1000°. …

Прямоточные и противоточные рекуператоры

Дан рекуператор, диаметр воздушных каналов которого йв = = 0,08 ж, а газовых — с1г =0,1 м. Каналы разделены шамотной стенкой толщиной 3 см. Через рекуператор за час проходит отхо­дящий …

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЬ

Точный метод. Водоподогреватель состоит из вертикальных стальных труб диам. в свету 30 мм и толщиной стенки 3 мм. Дли­на труб 2 м: снаружи их обогревают насыщенным паром 10,2 ата, что …

Режим «3D конвекция» в духовых шкафах

Пользователи современных бытовых шкафов выбирают их исходя из множества различных факторов. Огромное значение играет внешний вид, ведь духовка встраивается в определенный кухонный гарнитур и должна соответствовать представлениям владельца о красивом интерьере. Также при выборе учитывается размер изделия и объем внутренней камеры, предназначенной для приготовления блюд. Пользователи обращают внимание на элементы управление, технологии безопасности и хотят получить шкаф с определенным типом очистки камеры (пиролитическим, традиционным, гидролитическим или каталитическим.

Но наибольшее значение большинство посетителей нашего интернет-магазина придает режимам работы устройства или автоматическим программам, призванным облегчить работу и приготовление различных блюд. Автоматические программы могут корректировать работу устройства определенным образом, а гриль и система конвекции могут применяться вместе с различными нагревательными элементами (верхним или нижним). Но каждая из этих опций может иметь свои определенные особенности в зависимости от конкретного производителя бытовой техники.

Режим «3D конвекция»

Одной из таких особенностей является уникальный режим работы, который называется 3D конвекцией. Для того, чтобы понять причину создания данной опции необходимо разобраться к классическим режимом конвекции, которым оснащается огромное множество духовых шкафов.

Классическая конвекция предназначена для активного перемешивания воздуха внутри рабочей зоны. Стандартные ТЭНы греют воздух, который поднимается в верхнюю часть камеры, согласно законам физики. Для того, чтобы готовка происходила равномернее и применяется режим конвекции, который смешивает воздух. Циркуляция обеспечивается при помощи специального жаростойкого вентилятора, который устанавливается на задней стенке камеры.

3D конвекция отличается от стандартной наличием дополнительного нагревательного элемента, который устанавливается рядом с вентилятором конвекции. При активации режима пользователь включается и вентилятор и нагреватель. Готовящееся блюдо покрывается аппетитной корочкой, а внутри остается мягким и сочным. Благодаря применению функции «3D конвекция» пользователь может заменить отсутствующий вертел и готовить по-настоящему вкусные блюда.

Естественная и принудительная 📙 конвекция

  1. Естественная конвекция 
  2. Вынужденная конвекция 

Определение 1

Конвекцией называют разновидность передачи тепловой энергии, при которой обмен производится с помощью потоков жидкости или газа.

Практически вся конвекция в природе является естественной, так как она возникает сама собой в результате нагревания газа или жидкости в земном поле тяготения. В качестве примера можно привести нагрев атмосферы — нижние слои нагреваются быстрее, за счет внутренней температуры планеты и становятся легче, в результате чего они поднимаются, вынуждая более холодные слои опускаться ниже. В свою очередь, опустившиеся холодные слои через время также нагреваются и поднимаются, и этот процесс является непрерывным. В ходе определенных условий процесс смешивания потоков упорядочивается в отдельные вихри, в результате чего возникает решетка из конвекционных ячеек. Многие атмосферные явления, облака, появление солнечных гранул, перемещение тектонических плит — все эти природные явления происходят в результате естественной конвекции.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

В отличие от естественной конвекции, принудительная происходит посредством внешних сил, обеспечивающих перенос рабочего вещества (насосом или вентилятором). Она применяется в том случае, когда естественной конвекции недостаточно для достижения необходимого эффекта. 

Замечание 1

Конвекция относится не только к переносу тепловой энергии, но также к переносу массы или электрических зарядов.

Изучение естественной конвекции, ее процессов и свойств имеет очень важное значение для стабильной работы многих технических систем, так как это напрямую связано с отводом тепловой энергии. В случае, когда обычные способы сброса избыточного тепла являются недостаточно эффективными, применяются принудительную конвекцию.

Самыми распространенными отопительными приборами являются конвекторы, в которых основная часть теплоносителя подается как раз посредством конвекции, например конвекторы из оребренных труб, по которым перемещается теплоноситель. Сама труба заключается в специальный кожух с отверстиями для прохода воздуха.

Привычные всем радиаторы отопления совмещают в себе принципы естественной и принудительной конвекции. Внутри радиаторов теплоноситель перемещается принудительно, но обогрев непосредственно самого помещения происходит посредством естественных процессов.

Тем не менее, в некоторых случаях необходимо подавлять естественную конвекцию, чтобы снизить потери тепла. Это, к примеру, происходит в солнечных коллекторах, когда снижение теплопотерь через прозрачную изоляцию является первостепенной задачей.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Еще одним широко используемым в быту и промышленности прибором, основанным на принципе конвекции, является воздухонагреватель. Его используют не только для обогрева помещений, но также для продувки доменных печей и других целях. Когда воздухонагреватель работает в режиме нагрева, продукты сгорания устремляются вверх и попадает в коллектор. В режиме продувки холодный воздух забирает тепловую энергию, аккумулирующуюся в коллекторе, после чего сам нагревается и направляется в воздухопровод, где и используется в различных целях.

Определение 2

Вынужденной конвекцией называется явление, когда движение газа или жидкости вызывается посредством воздействия внешних сил.

Когда происходит процесс течения жидкости, то непосредственно к поверхности твердого тела образуется пограничный неподвижный слой. Теплота передается через этот слой путем теплопроводности. плотность теплового потока через пограничный слой пропорциональна разности температур жидкости и поверхности тела

Сопряженная теплопередача | Блог COMSOL

В этой статье мы объясним, что такое сопряженная теплопередача, и продемонстрируем несколько примеров. Сопряженной теплопередачей называется теплообмен в твердых телах и жидкостях. В твердых телах основным способом теплопередачи является теплопроводность, а для жидкостей более характерна конвекция. Явление сопряженной теплопередачи проявляется во множестве ситуаций. Например, конструкция радиатора оптимизируется для того, чтобы объединить теплопередачу посредством теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, и конвекцию окружающей его жидкости.

Теплопередача в твердых телах и жидкостях

Теплопередача в твердом теле

В большинстве случаев теплопередача в твердых телах, вызванная исключительно теплопроводностью материала, описывается законом Фурье, согласно которому плотность теплового потока, q, пропорциональна градиенту температуры: q=-k\nabla T.

Для нестационарной задачи поле температуры в неподвижном твердом теле следует уравнению теплопроводности в следующей форме:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Теплопередача в жидкости

Из-за движения жидкости в уравнение добавляются еще три слагаемых:

  1. Перемещение жидкости также предполагает передачу энергии, что проявляется в виде конвекционной составляющей в уравнении теплового баланса. В зависимости от тепловых характеристик жидкости и режимов потока может преобладать теплопередача посредством либо конвекции, либо теплопроводности.
  2. Вязкостные явления в потоке жидкости приводят к ее нагреву. Диссипативным эффектом часто пренебрегают, однако в высокоскоростных потоках вязких жидкостей его влияние может быть существенно.
  3. Поскольку плотность жидкости зависит от температуры, в уравнение теплового баланса добавляется новое слагаемое — работа давления. Примером может служить хорошо известный пример образования тепла при сжатии воздуха.

Учет теплопроводности и слагаемых, описывающих перечисленные механизмы, приводит к следующему нестационарному уравнению теплопроводности для поля температуры в жидкости:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}+\rho C_p\bold{u}\cdot\nabla T= \alpha_p {T}\left( \frac{\partial p_\mathrm{A}}{\partial t}+\bold{u}\cdot\nabla p_\mathrm{A}\right)+\tau : S+\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Прикладные задачи, связанные с сопряженной теплопередачей

Высокоэффективная теплопередача

Возможность эффективного объединения процессов теплопередачи в твердых телах и жидкостях является ключевой для проектирования высокоэффективных охладителей, нагревателей и теплообменников.

Обычно для передачи теплоты на большие расстояния используются жидкие теплоносители. Самым распространенным способом обеспечения высокой интенсивности теплопередачи является вынужденная конвекция. В некоторых случаях рабочие характеристики подобных устройств становятся еще лучше благодаря сочетанию конвекции и фазовых переходов (например, кипения воды).

Несмотря на это, в теплообменнике также нужны твердые тела, которые разделяют жидкости и позволяют им передавать тепло, но не смешиваться друг с другом.


Поле течения и температуры в кожухотрубном теплообменнике демонстрирует процесс теплопередачи между двумя разделенными тонкой металлической стенкой жидкостями.

Радиаторы обычно изготавливают из металла, обладающего высокой теплопроводностью (например, меди или алюминия). Они рассеивают тепло, увеличивая площадь поверхности теплообмена между твердотельной частью конструкции и окружающей ее жидкостью.


Поле температуры в блоке питания. Температура снижается за счет охлаждения воздухом, продуваемым с помощью вентилятора и перфорированной решетки. Два алюминиевых ребра используются для увеличения площади поверхности теплообмена между потоком воздуха и электронными компонентами.

Энергосбережение

Процессы теплообмена в жидкостях и твердых телах также могут быть объединены для сокращения тепловых потерь в различных устройствах. Поскольку большинство газов (особенно при низком давлении) обладают малой теплопроводностью, они могут использоваться для теплоизоляции… если только они не находятся в движении. Чаще всего именно газы выбирают в качестве изоляционного материала из-за их малой плотности. В любом случае важно ограничить теплопередачу посредством конвекции, уменьшая интенсивность свободной конвекции. Продуманное размещение перегородок и небольших полостей позволяет регулировать свободную конвекцию. Применение этих же принципов в микроскопических масштабах приводит к идее теплоизолирующей пены, в которой небольшие воздушные полости (пузырьки) заключены внутри пенистого материала (например, полиуретана), что обеспечивает прекрасные изоляционные характеристики материала и его малый вес.


Поперечное сечение окна (слева) и увеличенная область оконной рамы (справа).


Показатели температуры в оконной раме и поперечном сечении остекления согласно стандарту ISO 10077-2:2012 (тепловые характеристики окон).

Взаимодействие твердых тел и жидкостей

Граница жидкости и твердого тела

Поле температуры и тепловой поток на границе взаимодействия жидкости и твердого тела остаются непрерывными. Однако поле температуры может быстро изменяться в движущейся жидкости: у поверхности твердого тела температуры жидкости и твердого тела близки; чем дальше от границы, тем ближе температура жидкости к температуре на входе или к температуре окружающей среды. Расстояние, на котором температура жидкости изменяется от температуры твердого тела до температуры окружающей среды, называется тепловым пограничным слоем. Относительные размеры теплового и динамического пограничных слоев отражаются в величине числа Прандтля (Pr=C_p \mu/k): для того чтобы оно было равно единице, толщины теплового и динамического пограничных слоев должны совпадать. Более толстый динамический погранслой приводит к тому, что число Прандтля становится больше единицы. Верно и обратное: при числе Прандтля меньше единицы толщина теплового пограничного слоя превышает толщину динамического пограничного слоя. Число Прандтля для воздуха при атмосферном давлении и 20 °C равняется 0,7. Это объясняется тем, что для воздуха размеры динамического и теплового пограничного слоев схожи, при этом толщина динамического погранслоя чуть меньше толщины теплового. Для воды при температуре 20 °C число Прандтля составляет около 7, поэтому в воде изменение температуры рядом со стенкой происходит быстрее, чем изменение скорости.


Нормализованные профили температуры (красный) и скорости (синий) для свободной конвекции воздуха рядом с холодной твердой поверхностью.

Свободная конвекция

Свободная конвекция возникает тогда, когда жидкость приводится в движение силами плавучести. В зависимости от ожидаемых тепловых характеристик естественная конвекция может быть как полезной (например, в случае охлаждения), так и нежелательной (например, свободная конвекция в слое термоизоляции).3

Число Рэлея может быть выражено через числа Прандтля и Грасгофа как Ra=Pr Gr.

Когда величина числа Рэлея невелика (обычно <103), явлением свободной конвекции можно пренебречь, так как теплопередача происходит посредством теплопроводности жидкости. Для больших значений числа Рэлея необходимо учитывать теплопередачу посредством конвекции.

Когда силы плавучести значительно выше вязкостных сил, режим потока становится турбулентным, в противном случае поток остается ламинарным. На переход между двумя данными режимами указывает критическое значение числа Грасгофа, величина которого составляет 109. Толщину теплового пограничного слоя можно вычислить приближенно при условии, что известно характерное расстояние перепада температуры между твердой стенкой и объемом жидкости: \delta_\mathrm{T} \approx \frac{L}{\sqrt[4\,]{Ra}}, когда Pr по порядку равно или больше единицы.


Профиль температуры при свободной конвекции в стакане холодной воды, контактирующем с горячей поверхностью .

Вынужденная конвекция

При вынужденной конвекции поток приводится в движение воздействием внешних сил (например, ветра) или устройств (например, вентиляторов или насосов), которые преобладают над силами плавучести.

В этом случае режим потока может быть охарактеризован, аналогично изотермическому потоку, числом Рейнольдса Re= \frac{\rho U L}{\mu}. Число Рейнольдса представляет отношение инерционных и вязкостных сил. При малых значениях числа Рейнольдса преобладают вязкостные силы, соответственно, поток ламинарный. При высоких значениях числа Рейнольдса силы внутреннего трения в системе невелики, благодаря чему наблюдаются незначительные возмущения. В случае если значение числа Рейнольдса будет достаточно высоким, поток перейдет в турбулентный режим.

Оценить толщину динамического пограничного слоя можно с помощью числа Рейнольдса \delta_\mathrm{M} \approx \frac{L}{\sqrt{Re}}.

Линии тока и профиль температуры вокруг радиатора, охлаждаемого вынужденной конвекцией.4). Когда окружающие поверхности имеют различную температуру, теплообмен определяется угловыми коэффициентами.

Несмотря на это, как жидкости, так и твердые тела могут быть прозрачными или полупрозрачными. Таким образом, излучение может возникнуть и в жидкости, и в твердых телах. В активных (или недиатермических) средах излучение взаимодействует со средой (твердым телом или жидкостью), которая поглощает, испускает или рассеивает энергию.

Несмотря на то, что при небольшой разнице температур и малой излучательной способности можно пренебречь теплопередачей посредством излучения, она играет ключевую роль в прикладных задачах со значительными перепадами температур или сильно выраженной излучательной способностью.


Сравнение показателей температуры для радиатора с поверхностной излучательной способностью \varepsilon = 0 (слева) и \varepsilon = 0,9 (справа).

Заключение

В большей части практических задач процессы теплопередачи в твердых телах и жидкостях объединены. Причина этого в том, что, как правило, рассматриваемые жидкости обтекают твердые тела или текут между твердых стенок, а твердые тела, в свою очередь, обычно погружены в жидкость. Точное описание режимов теплопередачи, свойств материала, режимов течения и конфигураций геометрии позволяет выполнять анализ полей температуры и процессов теплопередачи. Подобное описание служит также отправной точкой для численного моделирования, которое может использоваться для расчета явлений теплопередачи или для проверки различных конфигураций конструкции для улучшения тепловых характеристик того или иного изделия.

Примечания

C_{p}: теплоемкость при постоянном давлении (единицы СИ: Дж/(кг⋅K))

g: ускорение свободного падения (единицы СИ: м/с2)

Gr: число Грасгофа (безразмерная величина)

k: теплопроводность (единицы СИ: Вт/(м⋅K))

L: характерный размер (единицы СИ: м)

n: показатель преломления (безразмерная величина)

p_\mathrm{A}: абсолютное давление (единицы СИ: Па)

Pr: число Прандтля (безразмерная величина)

q: плотность теплового потока (единицы СИ: Вт/м2)

Q: объемный источник теплоты (единицы СИ: Вт/м3)

Ra: число Рэлея (безразмерная величина)

S: тензор скоростей деформации (единицы СИ: 1/с)

T: поле температуры (единицы СИ: K)

T_\mathrm{amb}: температура окружающей среды (единицы СИ: K)

\bold{u}: поле скорости (единицы СИ: м/с)

U: характерная величина скорости (единицы СИ: м/с)

\alpha_{p}: коэффициент теплового расширения (единицы СИ: 1/K)

\delta_\mathrm{M}: толщина инерционного граничного слоя (единицы СИ: м)

\delta_\mathrm{T}: толщина теплового слоя (единицы СИ: м)

\Delta T: характерная разность температур (единицы СИ: K)

\varepsilon: излучательная способность поверхности (безразмерная величина)

\rho: плотность (единицы СИ: кг/м3)

\sigma: постоянная Стефана — Больцмана (единицы СИ: Вт/(м2⋅К4))

\tau: тензор вязких напряжений (единицы СИ: Н/м2)

Статья по физике на тему: Конвекция читать

Главная>Статьи по химии

Конвекция

Это способность переносить тепло потоками вещества. Данное явление существует как в жидкостях, так и в газах и в сыпучей среде. Конвекция бывает естественной, что подразумевает самопроизвольное возникновение при неравномерной тепловой нагрузке. Нижние частицы нагреваясь и облегчаясь движутся вверх, а верхние наоборот, формируется процесс перемешивания, который повторяется вновь и вновь. При выполнении некоторых условий самоперемешивание превращается в структурные вихри с условно правильной решеткой в виде конвекционных ячеек. Конвекция подразделяется на: турбулентная и ламинарная.

Примерами конвекции в природе являются облака и их формирование. Движение тектонических плит и гранулирование на Солнце — это тоже естественная конвекция в природе. Искусственная конвекция связана с перемещением частиц, вызванным принудительными действиями извне. Принудительная конвекция применяется, если эффекта естественной недостаточно. К примеру, движение лопастей вентиляционных приборов, работа насосного оборудования, перемещивание веществ венчиком и т.п.

По причине возникновения конвекция подразделяется на: стрессовую, гравитационную, термокапиллярную, магнитную и термодинамическую. Наиболее популярно распространение конвекции в жидких и газообразных средах описал Буссинеск. К примеру, под капиллярной конвекцией следует понимать явление в жидкой среде, когда на ее свободную поверхность оказывают влияние перепады напряжения, скажем, изменение температуры воды. При этом интенсивность термокапиллярной конвекции мала и в обычной жизни признается несущественной. Но в космическом пространстве благодаря данному виду конвекции в сосудах возникают движения.

В природе естественная конвекция бывает в нижних слоях Земли, в ее недрах, в пучине океана. Воздействие при этом обусловлено архимедовой силой, когда различие в плотности нагретого и холодного веществ заставляет перемещаться их частицы в направлении, противоположном действию силы тяжести. Результатом такого движения является то, что постепенно температура вещества выравнивается. Если тепло подведено стационарно, то конвекционные потоки также будут стационарными. А интенсивность их всегда обусловлена температурным различием в слоях.

см. также:
Все статьи по физике

Конвекция: характеристики, примеры, применение — Наука

Конвекция: характеристики, примеры, применение — Наука

Содержание:

В конвекция это один из трех механизмов передачи тепла от более теплого места к более холодному. Это происходит из-за движения массы жидкости, которая может быть жидкостью или газом. В любом случае, чтобы этот механизм работал, всегда требуется материальная среда.

Чем быстрее движется рассматриваемая жидкость, тем быстрее происходит передача тепловой энергии между зонами с разными температурами. Это происходит постоянно с атмосферными воздушными массами: плавучесть гарантирует, что более теплые и менее плотные поднимаются, а более холодные и более плотные опускаются.

Примером этого является закрытая комната на изображении, которая немедленно обновляется, как только открываются двери или окна, поскольку горячий воздух изнутри выходит даже через щели, уступая место свежему воздуху снаружи, который остается более вниз.


Типы конвекции

Естественная и принудительная конвекция

Конвекция может быть естественной или принудительной. В первом случае жидкость движется сама по себе, как при открытии двери в комнату, а во втором — нагнетается, например, вентилятором или насосом.

Диффузия и адвекция

Также может быть два варианта: распространение Y адвекция. При диффузии молекулы жидкости движутся более или менее беспорядочно, и передача тепла происходит медленно.

Напротив, адвекция перемещает большое количество жидкой массы, чего можно достичь, например, путем принудительной конвекции с помощью вентилятора. Но преимущество адвекции в том, что она намного быстрее диффузии.

¿Как тепло передается конвекцией?

Простая математическая модель конвективного теплообмена — закон охлаждения Ньютона. Рассмотрим горячую поверхность области A, окруженную более холодным воздухом, так что разница в температуре небольшая.

Назовем передаваемую теплоту Q и время t. Скорость передачи тепла равна dQ / dt или определяется функцией Q (t) по времени.

Поскольку тепло — это тепловая энергия, ее единицами измерения в Международной системе являются джоули (Дж), поэтому скорость передачи выражается в джоулях в секунду, то есть в ваттах или ваттах (Вт).

Эта скорость прямо пропорциональна разнице температур горячего объекта и среды, обозначенной как ΔT а также к площади поверхности К объекта:

ΔT = Температура на поверхности объекта — Температура вдали от объекта

Константа пропорциональности называется час, что коэффициент конвективной теплопередачи и определяется экспериментально. Его единицы в Международной системе (СИ) — Вт / м2. K, но обычно его определяют в градусах Цельсия или Цельсия.

Важно отметить, что этот коэффициент не является свойством жидкости, поскольку он зависит от нескольких переменных, таких как геометрия поверхности, скорость жидкости и других характеристик.

Комбинируя все вышесказанное, математически закон охлаждения Ньютона принимает такую ​​форму:

dQ / dt = hA ΔT

Применение закона охлаждения Ньютона

Человек стоит посреди комнаты 20 ° C, сквозь которую дует легкий ветерок. Какова скорость тепла, которое человек передает в окружающую среду путем конвекции? Предположим, что площадь открытой поверхности составляет 1,6 м2 температура поверхности кожи 29 ºC.

Факт: коэффициент теплопередачи конвекцией в этом случае составляет 6 Вт / м2. ºC

Решение

Человек может передавать тепло окружающему воздуху, поскольку он находится в движении, когда дует ветер. Чтобы найти скорость передачи dQ / dt, просто подставьте значения в уравнение Ньютона для охлаждения:

dQ / dt = 6 Вт / м2. ºC x 1,6 м2 x (29 ° C — 20 ° C) = 86,4 Вт.

Примеры конвекции

Согрейте руки над костром

Обычно руки согревают, поднося их к огню или горячему тостеру, поскольку воздух вокруг источника тепла, в свою очередь, нагревается и расширяется, поднимаясь вверх, потому что он менее плотный. По мере циркуляции этот горячий воздух окутывает и согревает ваши руки.

Воздушный поток на побережье

На побережье море холоднее, чем земля, поэтому воздух над сушей нагревается и поднимается, в то время как более холодный воздух приходит и оседает в пространстве, оставленном другим человеком при подъеме.

Это называется конвекционная ячейка и это причина того, что в жаркий день кажется прохладнее, когда вы смотрите на море, а ветерок дует вам в лицо. Ночью происходит обратное, дует прохладный ветерок с суши.

Круговорот воды

Естественная конвекция происходит в воздухе океанических побережий в рамках гидрологического цикла, в котором вода нагревается и испаряется благодаря солнечной радиации. Образовавшийся таким образом водяной пар поднимается, охлаждается и конденсируется в облака, массы которых увеличиваются и поднимаются за счет конвекции.

Увеличивая размер капель воды, наступает время, когда вода выпадает в виде твердого или жидкого дождя, в зависимости от температуры.

Вскипятите воду в емкости

Когда вода помещается в чайник или кастрюлю, сначала нагреваются слои, ближайшие ко дну, так как пламя или тепло от горелки находятся ближе всего. Затем вода расширяется, и ее плотность уменьшается, поэтому она поднимается, и более холодная вода занимает свое место на дне емкости.

Таким образом, все слои быстро циркулируют, и вся вода нагревается. Это хороший пример адвекции.

Генерация ветра

Конвекция в воздушных массах вместе с вращательным движением Земли порождает ветры, поскольку холодный воздух движется и циркулирует под горячим воздухом, создавая различные течения, называемые конвекционными потоками.

Океанские течения

Вода ведет себя так же, как воздух в атмосфере. Более теплые воды почти всегда находятся у поверхности, а более прохладные — глубже.

Эффект динамо

Он возникает в расплавленном ядре внутри планеты, где он сочетается с вращательным движением Земли, генерируя электрические токи, которые создают магнитное поле Земли.

Передача энергии внутри звезд

Звезды, подобные Солнцу, представляют собой огромные газовые сферы. Конвекция является здесь эффективным механизмом переноса энергии, поскольку молекулы газа имеют достаточно свободы для перемещения между областями внутри звезд.

Применение конвекции

Кондиционеры

Кондиционер ставится под потолком в комнатах, чтобы более плотный охлажденный воздух быстрее спускался и остывал ближе к полу.

Теплообменники

Это устройство, которое позволяет передавать тепло от одной жидкости к другой, и является принципом работы, например, кондиционеров и охлаждающих механизмов автомобильного двигателя.

Теплоизоляторы в зданиях

Их изготавливают путем объединения листов изоляционного материала и добавления внутрь пузырьков воздуха.

градирни

Также называемые градирнями, они служат для отвода тепла, производимого атомными электростанциями, нефтеперерабатывающими заводами и другими различными промышленными объектами, в воздух, а не в землю или воду.

Ссылки
  1. Джамбаттиста, А. 2010. Физика. 2-й. Эд. Макгроу Хилл.
  2. Гомес, Э. Проводимость, конвекция и излучение. Получено с: eltamiz.com.
  3. Натахенао. Тепловые аппликации. Получено с: natahenao.wordpress.com.
  4. Сервей, Р. Физика для науки и техники. Том 1. 7-е. Под ред. Cengage Learning.
  5. Википедия. Конвекция. Получено с: en.wikipedia.org.
  6. Википедия. Конвекционная термическая обработка. Получено с: fr.wikipedia.org.

Виды теплопередачи – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

  

  • Участник: Ромашов Владимир Михайлович
  • Руководитель: Гурьянова Галина Александровна   

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно. 

Техника безопасности по теме «Тепловые явления»

  1. Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
  2. До начала работы приборы не трогать и не приступать к выполнению лабораторной работы до указания учителя.
  3. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
  4. Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
  5. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
  6. Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
  7. При выполнение опытов нельзя пользоваться разбитой стеклянной посудой или посудой с трещинами.
  8. Стеклянные колбы при нагревании нужно ставить на асбестовые сетки. Воду можно нагревать до 60–70°С.
  9. Осколки стекла нельзя собирать со стола руками. Для этого нужно использовать щетку с совком.
  10. Нельзя оставлять без присмотра нагревательные приборы.
  11. Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
  12. Будьте внимательны и осторожны при работе с колющими и режущимися  предметами.
  13. Берегите оборудование и используйте его по назначению.
  14. При получении травмы обратитесь к учителю.

Введение

В своей работе по теме «Виды теплопередачи» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: внутреннюю энергию тел можно изменять путем теплопередачи. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой.

Опыт № 1. Теплопроводность

На примере этого опыта я хотел показать действие теплопроводности наглядно. При нормальных условиях тепло должно передаваться равномерно вследствие колебательных движений частиц.

К металлической линейке с помощью воска я прикрепил несколько кнопок. Закрепив линейку в штативе, я начал нагревать один конец линейки с помощью спиртовки. Линейка начала постепенно нагреваться, это можно доказать тем, что воск начал таять постепенно и кнопки поочерёдно начали отпадать.

Вывод из опыта № 1

Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура в следующей части линейки. При теплопроводности не происходит переноса самого вещества. Теплопроводность металла хорошая, у жидкостей невелика, у газов еще меньше.

Применения теплопроводности

  • Теплопроводность используется при плавлении металлов.
  • В электронике используют настолько плотное расположение плат, что теплоноситель проникает туда с трудом. Поэтому приходится тепло от электронных чипов отводить теплопроводностью.
  • Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. В кухонной посуде ручки чайников и кастрюль обычно делают деревянными или пластмассовыми в связи с тем, что у дерева и пластмассы плохая теплопроводность.
  • Поверхность утюга, которой гладят металлическая, чтобы хорошо прогревалась, а вся остальная часть утюга пластмассовая, чтобы не обжечься.
  • Плохую теплопроводность газов в основном используют, как теплоизоляцию, чтобы предохранять помещения от замерзания.
  • Плохая теплопроводность газов используется в окнах. Между двумя стёклами в окне находится воздух, поэтому воздух долгое время сохраняет тепло.
  • Термос работает по такому же принципу, что и окно. Между внутренними стенками и внешними находится воздух, и тепло очень медленно уходит.
  • Теплопроводность газов используется во многих строительных материалах, например, в кирпичах. В кирпиче находятся отверстия не просто так, а для сохранения тепла. Стены состоят из двух слоёв, между которыми находится воздух, это сделано для сохранения тепла.
  • Дома в зонах вечной мерзлоты строят на сваях.
  • Тонкой полиэтиленовой плёнкой можно защищать растения от холода, потому что полиэтилен – плохой проводник тепла.
  • Материалы, не пропускающие тепло, используются при космических полётах, чтобы пилоты не замерзали.
  • Горячие предметы лучше брать сухой тряпкой, нежели мокрой, потому что воздух хуже проводит тепло, чем вода.

Теплопроводность в природе

У многих не перелётных птиц температура лапок и тела может различаться до 30 °С. Это связано с тем, что им приходится ходить по холодной земле или по снегу, чтобы не замёрзнуть, низкая температура лап сильно понижает теплоотдачу.

Образование ветра это тоже теплопроводность. Зарождаются ветра обычно около водоёмов. Днём суша нагревается быстрее чем вода, то есть над водой воздух более холодный, следовательно, его давление выше, чем у воздуха, который над сушей, и ветер начинает дуть в сторону суши. Ночью же суша остывает быстрее, чем над водой, и воздух над ней становится холоднее, чем тот, что над водой и ветер дует в сторону воды.

Мех животных обладает плохой теплопроводностью, что защищает их от перегрева и замерзания.

Снег, будучи плохим проводником тепла, предохраняет озимые посевы от вымерзания.

Внешняя температура тела у человека держится постоянной благодаря теплопроводности и её свойству, согласно которому, при взаимодействии микрочастиц они передают друг другу тепло.

Интересные факты о теплопроводности

Самую большую теплопроводность имеет алмаз. Его теплопроводность почти в 6 раз больше чем у меди. Если алмазную ложечку опустить в горячий чай, то вы сразу обожжётесь из-за того, что тепло дошло до конца ложки.

Теплопроводность стекла настолько мала, что вы можете взять стеклянную палочку, раскаленную посередине, за концы, и при этом даже не почувствовать тепла.

Итальянские учёные изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Лето в ней не буде жарко, а зимой – холодно. Это связано с тем, что она сшита из специального материала, не пропускающего тепло.

Опыт № 2. Излучение

В этом опыте я хотел показать способ передачи тепла без взаимодействия двух тел. Тепло должно передаваться приёмнику, а тот в свою очередь пускать его через трубку в жидкостный манометр. Вследствие нагрева воздуха в колене соединённом с жидкостным манометром, жидкость должна опуститься.

Я соединил колено жидкостного манометра с теплоприемником. Зажёг спиртовку и поднёс к ней теплоприёмник светлой стороной, но на определённое расстояние. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, немного уменьшилась. Выровняв количество жидкости в манометре, я снова поднёс теплоприемник к источнику тепла, но уже тёмной стороной. Жидкость в колене манометра, соединённом с приёмником, уменьшилась, но значительно сильнее и быстрее. Воздух в теплоприемнике нагрелся и расширился, стал давить на жидкость в колене манометра.

Вывод из опыта № 2

Энергия передавалась не теплопроводностью. Между нагретым телом и теплоприемником находился воздух – плохой проводник тепла. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путем излучения.

Передача тепла излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться даже в полном вакууме.

Важным и отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит, что если поместить тело в теплоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии. Часть тепла полученного излучением поглощается, а часть отражается.

Применения излучения

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных шаров, крылья самолетов красят в серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем.

Лучевой нагрев помещения специальными инфракрасными радиаторами. Такой нагрев более эффективный, чем нагрев конвекцией, так как лучи свободно проходят сквозь воздух.

Излучение используют на космических аппаратах. Так как там нет воздуха, не получится по-другому передать тепло.

Если находиться рядом с лампой накаливания можно почувствовать тепло исходящее от неё.

Солнечные батареи работают по принципу излучения. Солнце испускает мощные тепловые лучи. Солнечные батареи принимают тепловые лучи и перерабатывают их в энергию. Такие батареи хорошие приёмники для солнечных лучей, потому что их поверхность тёмного цвета, и они хорошо нагреваются. Такие батареи используются на космических станциях и спутниках.

От компьютеров и мобильных телефонов тоже исходит тепловые лучи.

Приборы ночного видения. Такие приборы сделаны из материалов способных превращать тепловые излучения в видимые. Такие приборы используются для съёмки в абсолютной темноте. Они способны улавливать различные участки, температура которых различается на сотые доли градуса.

Интересные факты

Чем более тёмное тело, тем лучше оно поглощает тепло. Зеркальные поверхности отражают тепло полученное излучением. Абсолютно черное тело – физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Когда объект нагревается до высокой температуры, он начинает светиться красным цветом. В процессе дальнейшего нагревания объекта, цвет его излучения меняется, проходя через оранжевый, желтый, и дальше по спектру, чем горячее — тем меньше длина волны излучения.

Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.

Змеи отлично воспринимают тепловое излучение, но не глазами, а кожей. Поэтому и в полной темноте они способны обнаружить теплокровную жертву. Гремучие змеи и сибирские щитомордники реагируют на изменения температуры до тысячной доли градуса.

80 процентов тепла тела излучается головой человека.

Если бы не свойства излучения, то земля бы замёрзла. Так как земля постоянно излучает тепловые лучи в бесконечное пространство.

Глаза таракана чувствуют колебания температуры в сотую долю градуса.
На каждый квадратный метр земной поверхности попадает около 1 кВт тепловой энергии Солнца, что достаточно, чтобы вскипятить чайник за считанные минуты. 

Опыт № 3. Конвекция

Рассмотрю явление передачи тепла с помощью конвекции. Этим опытом я хочу показать, как действует конвекция. Если опыт пройдёт успешно, то тепло должно передаваться снизу вверх.

Я налил холодную воду в колбу и добавил туда марганцовокислого калия для того, чтобы видно было процесс нагрева. Зажег спиртовку и начал подогревать колбу. Видно, как струи подкрашенной воды поднимаются вверх. Нагретые слои жидкости – менее плотные и поэтому более легкие – вытесняются более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается.

Вывод из опыта № 3

При конвекции энергия переносится самими струями жидкости или газа. При конвекции происходит перенос вещества в пространстве. Для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу. Конвекция в твердых телах происходить не может.

Конвекция бывает двух видов: естественная – нагревание жидкости или газа и его самостоятельное движение; принудительная – смешивание жидкостей или газов с помощью насосов или вентиляторов.

Применение конвекции

Нагрев дна кастрюли на плите газом. Горящий газ греет дно кастрюли, а тепло передается через стенку дна путем теплопроводности. Далее тепло от дна кастрюли поступает в воду и распространяется по всему объему воды путем конвекции.

Конвекция используется в конвекционных печах или микроволновках. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон. 

В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным.

Батареи отопления в жилых помещениях располагаются снизу, а не сверху, потому что тёплый воздух поднимается вверх и помещение прогревается везде одинаково, если бы батареи располагались у потолка, то помещение бы не нагревалось вовсе.

Батареи располагаются именно под окнами, потому что горячий воздух поднимается и распространяется по комнате, а сам уступает место холодному воздуху, поступающему из окна.

Конвекция используется в двигателях внутреннего сгорания. Если воздух не будет поступать в камеру сгорания, то горение прекратится. Из-за горения воздух там расширяется, давление уменьшается и холодный воздух поступает внутрь. К двигателю внутреннего сгорания обязательно должен поступать воздух.

Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Кроме того, стекло препятствует движению тёплого воздуха вверх, то есть осуществлению конвекции. Таким образом, теплица является ловушкой энергии.

Вентилятор фена прогоняет воздух через трубу с тонкой длинной нагревательной спиралью. Спираль нагревается проходящим по ней электрическим током. Далее происходит передача тепла от разогретой спирали окружающему её воздуху. Здесь используется явление принудительной вентиляции воздуха и явление теплопередачи.

Конвекция в природе

Конвекция участвует в образовании ветра. Если бы работала только теплопроводность, то ветров бы почти не было, но благодаря конвекции теплый воздух поднимается над сушей и уступая холодному воздуху.

Благодаря конвекции появляются облака и тучи. Так как вода испаряется, конвекция подгоняет пар высоко вверх, и там образуются облака под воздействием холодного воздуха и низкого давления.

Конвекция участвует в возникновении волн. Волны появляются благодаря ветру, а ветер в свою очередь благодаря конвекции и теплопередачи, следовательно, без конвекции волн не могло бы быть.

Стекло начинает замерзать снизу раньше, чем сверху. Это происходит потому, что холодный воздух более плотный и опускается вниз и тем самым замораживает поверхность стекла.

Листья осины дрожат даже в безветренную погоду. У листьев осины длинные, тонкие и сплющенные черенки, имеющие очень малую изгибную жесткость, поэтому листья осины чувствительны к любым, незначительным потокам воздуха. Даже в безветренную погоду, особенно в жару, над землей имеются вертикальные конвекционные потоки. Они и заставляют дрожать осину.

Интересные факты

В сильные морозы глубокие водоемы не промерзают до дна, и вода внизу имеет температуру +4 градуса Цельсия. Вода при такой температуре имеет наибольшую плотность и опускается на дно. Поэтому дальнейшая конвекция теплой воды наверх становится невозможной и вода более не остывает.

Выводы из проделанных опытов

Если изменение внутренней энергии происходит путем теплопередачи, то переход энергии от одних тел к другим осуществляется теплопроводностью, конвекцией или излучением. Когда температуры тел выравниваются, теплопередача прекращается.

14 лучших примеров конвекции с простым объяснением

Что будет, если оставить тарелку горячего супа на столе? Через некоторое время он становится холодным из-за потери тепла в окружающий воздух. И это (перенос тепла) мы называем конвекцией.

Существует три типа теплопередачи: излучение, теплопроводность и конвекция. При излучении тепло передается в виде электромагнитных волн. При теплопроводности тепло распространяется между телами, которые физически связаны.

Конвекция, однако, является наиболее сложной формой теплопередачи, поскольку она включает в себя объемное движение молекул внутри таких жидкостей, как жидкости и газы. Проще говоря, конвекция может происходить только в жидкостях и газах.

Конвективный тепломассоперенос (в жидкостях) происходит по двум механизмам:

  1. Диффузия: суммарное перемещение молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией.
  2. Адвекция: перенос вещества или тепла объемным движением потоков в жидкости.

Ни один из процессов не происходит в твердых телах. Однако конвективный теплообмен может происходить в мягких твердых телах или смесях, где твердые частицы могут перемещаться из одного положения в другое.

Конвективную теплопередачу можно разделить на две категории: естественную и принудительную.

При свободной или естественной конвекции течения возникают только за счет разности плотностей жидкости, обусловленной температурой. Принимая во внимание, что при принудительной конвекции токи возникают из-за внешнего фактора, такого как вентилятор или насос.Чем быстрее движется жидкость, тем выше скорость конвекции.

Теперь, когда у вас есть общее представление о том, что такое конвекция, давайте перейдем к различным примерам и приложениям. Ниже мы перечислили множество примеров конвективного теплообмена, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни.

14. Кипяток

Тип: С принудительной конвекцией

Когда чайник ставишь на плиту, он нагревает воду снизу. Молекулы у дна приобретают кинетическую энергию и становятся менее плотными.Поскольку горячая вода на дне имеет меньшую плотность, чем холодная вода над ним, горячая вода начинает подниматься на поверхность, а холодная вода опускается.

Холодная вода внизу становится горячей и менее плотной, чем вода над ней, поэтому она поднимается на поверхность. Процесс повторяется снова и снова, и все это происходит из-за разницы температур между дном и верхом чайника. Движение молекул воды — это конвекционные потоки.

13. Радиатор

Тип: С принудительной конвекцией

Радиатор представляет собой пассивный теплообменник, повышающий скорость конвективного теплообмена.Он широко используется в электронном оборудовании. Например, обычный ЦП/ГП использует радиатор в сочетании с вентилятором, чтобы поддерживать рабочую температуру в допустимых пределах.

Как правило, радиатор состоит из основания и выступающих наружу ребер. На его производительность влияют различные факторы, такие как скорость воздуха, конструкция ребер и материал, из которого изготовлен радиатор.

12. Сухопутный и морской бриз

Изображение предоставлено Freepik

Тип: Естественная конвекция

Образование сухопутного и морского бриза — один из классических примеров конвекции.Солнце в течение дня нагревает как сушу, так и поверхность моря. Но поскольку суша имеет меньшую теплопоглощающую способность, чем море, температура ее поверхности повышается, нагревая окружающий воздух. Теплый (менее плотный) воздух начинает подниматься вверх, и создается низкое давление.

В то же время над поверхностью моря образуется область высокого давления (с холодным, плотным воздухом). Из-за разницы давлений воздух течет с моря на сушу, а приходящий холодный воздух называется морским бризом.

Ночью процесс меняется на обратный.Земля остывает быстрее, чем море, понижая температуру воздуха вокруг себя и создавая ситуацию высокого давления. Теперь холодный воздух течет с суши к морю, и это то, что мы называем сухопутным бризом.

В обоих случаях тепло передается через молекулы воздуха.

11. Эффект дымохода

Тип: С принудительной конвекцией

Когда воздух входит и выходит из зданий, дымовых труб или других подобных структур из-за плавучести, это называется эффектом дымохода.Это происходит из-за разницы температуры/влажности в помещении и на улице. Холодный воздух высокой плотности всегда выталкивает горячие газы низкой плотности вверх.

Чем выше конструкция и выше тепловая разница, тем больше выталкивающая сила и, следовательно, эффект дымохода. Многие небоскребы и градирни используют тот же принцип для обеспечения естественной вентиляции и инфильтрации.

10. Конвекционная печь

Промышленная конвекционная печь, используемая в авиастроении 

Тип: С принудительной конвекцией

Конвекционные печи

используют механизм конвекции для более быстрого приготовления пищи по сравнению с обычными печами.У них есть вентиляторы для циркуляции горячего воздуха вокруг пищи, что позволяет готовить пищу более равномерно при более низких температурах и за меньшее время. Промышленные конвекционные печи используются для производства многих продуктов, в том числе непищевых.

9. Таяние льда

Тип: Естественная конвекция

Конвекция играет важную роль в процессе уменьшения толщины льда. Когда теплый воздух дует над поверхностью льда, он увеличивает температуру внешнего слоя льда.Чем горячее воздух и чем быстрее он дует, тем меньше времени потребуется для таяния льда.

8. Радиатор

Тип: С принудительной конвекцией

A Радиатор передает тепловую энергию от одной среды к другой. Несмотря на название, большинство радиаторов используют конвекцию (вместо теплового излучения) для передачи большей части своего тепла. В основном они используются в зданиях, автомобилях и электронике.

В системе отопления помещений, например, горячая вода или иногда пар вырабатываются во внутренних змеевиках.Когда вода нагревает змеевик, воздух рядом с радиатором нагревается и поднимается. Как только нагретый воздух поднимается, холодный воздух может втягиваться в радиатор снизу и проходить через него. Этот воздушный поток создает вертикальные потоки, которые распределяют теплый воздух по всему помещению.

7. Холодильник

Тип: С принудительной конвекцией

Холодильник содержит теплоизолированное отделение и тепловой насос, который перемещает тепло изнутри холодильника во внешнюю среду.Он использует конвекцию для циркуляции холодного воздуха вокруг продуктов.

Морозильная камера охлаждает воздух сверху. Когда воздух опускается, его заменяет более теплый воздух, поднимающийся снизу. Этот циркулирующий воздух уносит тепло от всех предметов в холодильнике.

6. Кучевые и кучево-дождевые облака

Кучевые облака

Тип: Естественная конвекция

Cumulus и Cumulonimbus — это два разных типа облаков, которые формируются и растут в результате конвекции. Они образуются из водяного пара, переносимого мощными восходящими воздушными потоками.

Поскольку конвекционные облака имеют тенденцию быстро образовываться в восходящих столбах воздуха, они оптически плотны. Поверхности крошечных капель в этих облаках рассеивают солнечный свет больше, чем облака, содержащие меньшее количество капель или более крупные. Вот почему эти облака часто выглядят темно-серыми на сторонах, удаленных от Солнца, и ярко-белыми на сторонах, обращенных к нему.

Прочтите: 10 основных типов облаков в зависимости от их высоты над уровнем моря

5. Кровообращение

Тип: С принудительной конвекцией

Люди и другие млекопитающие используют конвекцию для регулирования температуры тела.Сердце перекачивает кровь по всему телу со средней скоростью 5 литров в минуту, а тепло, выделяемое клетками тела, передается воздуху (или воде), обтекающему кожу.

Если температура кожи ниже температуры окружающего воздуха, тело получает тепло за счет конвекции и теплопроводности. Но если температура кожи выше, тело теряет тепло за счет конвекции и теплопроводности. В поверхностных тканях, где скорость кровообращения выше, теплообмен преимущественно конвективный.

4. Эффект Марангони

Экспериментальная демонстрация эффекта Марангони | Викимедиа

Тип: Естественная конвекция

Эффект Марангони — это конвекция жидкостей из-за градиента поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение зависит от температуры или состава соединений. В первом случае эффект называется термокапиллярной конвекцией.

Наличие градиента поверхностного натяжения естественным образом заставляет жидкость течь из областей с низким поверхностным натяжением.Это происходит потому, что жидкость с высоким поверхностным натяжением сильнее притягивает близлежащую жидкость, чем жидкость с низким поверхностным натяжением.

3. Движение мантии Земли

Общемантийная конвекция | Викимедиа

Тип: Естественная конвекция

Движение твердой силикатной мантии Земли в результате конвекционных течений, переносящих тепло из недр на поверхность планеты, называется земной конвекцией.

Более конкретно, мантийная конвекция управляется тремя фундаментальными процессами:

  • Потери тепла из активной зоны (20%)
  • Внутренний нагрев от радиоактивного распада (80%)
  • Охлаждение сверху (погружение литосферных плит)

Вызывает движения литосферных плит, поверхностную вулканическую деятельность, магматизм, землетрясения, а также большинство тектонических и геологических процессов, проявляющихся в земной коре.По мере того, как скорость производства тепла снижается, планета охлаждается, и в конечном итоге конвекция замедляется или полностью прекращается.

Прочтите: 4 разных слоя Земли | Объяснение

2. У звезд есть зона конвекции

Тип: Естественная конвекция

Различные бурные процессы, происходящие внутри звезды, заставляют энергию двигаться наружу. Когда газы нагреваются (из-за потока энергии из глубины звезды) до температур, превышающих температуру окружающего газа, они поднимаются, расширяются и охлаждаются.Как только они термируются, они перестают подниматься.

Как правило, звезды с малой массой имеют радиационное ядро ​​и конвективную оболочку, тогда как звезды с большой массой имеют конвективное ядро ​​и радиационную оболочку. Зона конвекции Солнца, например, является самым внешним внутренним слоем, который простирается от глубины 200 000 километров до видимой поверхности. Это означает, что энергия передается посредством конвекции в этой области.

1. Аккреционные диски черных дыр

Тип: Естественная конвекция

Это довольно необычный пример, но исследования и моделирование показывают, что конвекция пыли и газа происходит в аккреционных дисках черных дыр со скоростью, близкой к скорости света.Связные движения развиваются за счет рассеяния интенсивной гравитационной и вращательной энергий в аккреционных потоках.

Конвекция | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Обсудите способ передачи тепла конвекцией.

Конвекция управляется крупномасштабным потоком вещества. В случае Земли атмосферная циркуляция вызвана потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха от полюсов к тропикам.(Обратите внимание, что вращение Земли вызывает наблюдаемый восточный поток воздуха в северном полушарии). Автомобильные двигатели охлаждаются потоком воды в системе охлаждения, а водяной насос поддерживает подачу холодной воды к поршням. Кровеносная система используется телом: когда тело перегревается, кровеносные сосуды в коже расширяются (расширяются), что увеличивает приток крови к коже, где она может охлаждаться за счет потоотделения. Эти сосуды становятся меньше, когда на улице холодно, и больше, когда жарко (поэтому течет больше жидкости и передается больше энергии).

Тело также теряет значительную часть своего тепла в процессе дыхания.

Хотя конвекция обычно более сложна, чем проводимость, мы можем описать конвекцию и сделать некоторые простые, реалистичные расчеты ее эффектов. Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с повышением температуры. Таким образом дом на рис. 1 согревается, как и кастрюля с водой на плите на рис. 2. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция передают энергию из одной части земного шара в другую.Оба являются примерами естественной конвекции.

Рис. 1. Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается вверх, образуя конвективный контур, передающий энергию в другие части помещения. По мере того как воздух охлаждается на потолке и снаружи стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем комнатный воздух, и опускается на пол. Правильно спроектированная система отопления с использованием естественной конвекции, подобная этой, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 2. Конвекция играет важную роль в передаче тепла внутри этого сосуда с водой.После прохождения внутрь теплопередача к другим частям горшка происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, ее плотность уменьшается, и она поднимается, чтобы передать тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс продолжает повторяться.

Самостоятельный эксперимент: конвекционные рулетики на нагретой сковороде

Возьмите две маленькие кастрюли с водой и с помощью пипетки поместите каплю пищевого красителя на дно каждой. Одну оставьте на столе, а другую нагрейте над плитой.Следите за тем, как цвет распространяется и сколько времени требуется цвету, чтобы достичь вершины. Посмотрите, как образуются конвективные петли.

Пример 1. Расчет теплопередачи конвекцией: конвекция воздуха через стены дома

Большинство домов негерметичны: воздух входит и выходит через двери и окна, через трещины и щели, по проводке к выключателям и розеткам и так далее. Воздух в типичном доме полностью заменяется менее чем за час. Предположим, что дом средних размеров имеет внутренние размеры 12.0 м × 18,0 м × 3,00 м в высоту, и весь воздух заменяется за 30,0 мин. Рассчитайте теплопередачу в единицу времени в ваттах, необходимую для нагрева поступающего холодного воздуха на 10,0ºC, заменив, таким образом, тепло, передаваемое только конвекцией.

Стратегия

Тепло используется для повышения температуры воздуха так, что Q mc Δ T . Тогда скорость теплопередачи равна [латекс]\frac{Q}{t}\\[/латекс], где t — время оборота воздуха. Нам дано, что Δ T равно 10.0ºC, но мы все еще должны найти значения массы воздуха и его удельной теплоемкости, прежде чем мы сможем вычислить Q . Удельная теплоемкость воздуха представляет собой средневзвешенное значение удельных теплоемкостей азота и кислорода, что дает использоваться для этого процесса).

Решение
  1. Определить массу воздуха по его плотности и заданному объему дома.Плотность определяется из плотности ρ и объема м = ρV = (1,29 кг/м 3 )(12,0 м × 18,0 м × 3,00 м) = 836 кг.
  2. Рассчитайте теплоту, передаваемую от изменения температуры воздуха: Q mc Δ T  так, что  Q = (836 кг)(1000 Дж/кг·× ºC)(10,8,3ºC) = 10 6 Дж.
  3. Рассчитайте теплопередачу из тепла Q и времени оборота t .{6}\text{ Дж}}{1800\текст{ с}}=4,64\текст{ кВт}\\[/латекс].
Обсуждение

Эта скорость теплопередачи равна мощности, потребляемой примерно сорока шестью 100-ваттными лампочками. Новопостроенные дома рассчитаны на время оборота 2 часа или более, а не на 30 минут для дома из этого примера. Обычно используются зачистка от атмосферных воздействий, уплотнение и улучшенные уплотнители окон. В очень холодном (или жарком) климате иногда принимаются более экстремальные меры для достижения жесткого стандарта более 6 часов на один оборот воздуха.Еще более длительное время оборота вредно для здоровья, поскольку для снабжения кислородом для дыхания и разбавления бытовых загрязнителей требуется минимальное количество свежего воздуха. Термин, используемый для обозначения процесса проникновения наружного воздуха в дом через щели вокруг окон, дверей и фундамента, называется «инфильтрацией воздуха».

Холодный ветер гораздо более холоден, чем неподвижный холодный воздух, потому что конвекция в сочетании с проводимостью в теле увеличивает скорость, с которой энергия передается от тела.В таблице ниже приведены приблизительные коэффициенты охлаждения ветром, которые представляют собой температуры неподвижного воздуха, обеспечивающие такую ​​же скорость охлаждения, как и воздух с заданной температурой и скоростью. Факторы охлаждения ветром являются драматическим напоминанием о способности конвекции передавать тепло быстрее, чем теплопроводность. Например, ветер со скоростью 15,0 м/с при температуре 0ºC имеет охлаждающий эквивалент неподвижного воздуха при температуре около −18ºC.

Таблица 1. Факторы охлаждения ветром
Температура движущегося воздуха Скорость ветра (м/с)
(°С) 2 5 10 15 0
5 3 −1 −8 −10 −12
2 0 −7 −12 −16 −18
0 −2 −9 −15 −18 −20
−5 −7 −15 −22 −26 −29
−10 −12 −21 −29 −34 −36
−20 −23 −34 −44 −50 −52
−10 −12 −21 −29 −34 −36
−20 −23 −34 −44 −50 −52
−40 −44 −59 −73 −82 −84

Хотя воздух может быстро передавать тепло за счет конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором.Количество доступного пространства для воздушного потока определяет, действует ли воздух как изолятор или проводник. Например, расстояние между внутренней и внешней стенами дома составляет около 9 см (3,5 дюйма) — этого достаточно для эффективной конвекции. Добавление изоляции стен предотвращает поток воздуха, поэтому потери (или приток) тепла уменьшаются. Точно так же зазор между двумя стеклами окна с двойным остеклением составляет около 1 см, что предотвращает конвекцию и использует низкую проводимость воздуха для предотвращения больших потерь.Мех, волокно и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, задерживая его в пространствах, слишком маленьких для поддержания конвекции, как показано на рисунке. Мех и перья легкие и поэтому идеально подходят для защиты животных.

Рисунок 3. Мех наполняется воздухом, разбивая его на множество маленьких карманов. Конвекция здесь очень медленная, потому что петли очень маленькие. Низкая проводимость воздуха делает мех очень хорошим легким изолятором.

Некоторые интересные явления происходят , когда конвекция сопровождается фазовым переходом .Он позволяет нам охлаждаться за счет потоотделения, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела. Для испарения пота с кожи требуется тепло от кожи, но без притока воздуха воздух становится насыщенным и испарение прекращается. Воздушный поток, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим воздухом, и испарение продолжается.

Пример 2. Расчет потока массы при конвекции: теплоотдача пота от тела

Средний человек в состоянии покоя выделяет около 120 Вт тепла.С какой скоростью должна испаряться вода из тела, чтобы избавиться от всей этой энергии? (Это испарение может происходить, когда человек сидит в тени, а температура окружающей среды такая же, как температура кожи, что исключает передачу тепла другими способами.)

Стратегия

Энергия необходима для фазового перехода ( Q = мл v ). Таким образом, потери энергии в единицу времени составляют

[латекс]\displaystyle\frac{Q}{t}=\frac{mL _{\text{v}}}{t}=120\text{W}=120\text{Дж/с}\\[/ латекс].

Разделив обе части уравнения на L v , мы получим, что масса, испаряемая в единицу времени, равна [латекс]\frac{m}{t}=\frac{120\text{ Дж/с}}{ L_{\text{v}}}\\[/латекс].

Решение

Вставьте значение скрытой теплоты из таблицы 1 в раздел «Фазовый переход и скрытая теплота», L v =  2430 кДж/кг = 2430 Дж/г. Это дает

[латекс]\displaystyle\frac{m}{t}=\frac{120\text{ Дж/с}}{2430\text{ Дж/г}}=0,0494\text{ г/с}=2,96\text {г/мин}\\[/латекс]

Обсуждение

Скорость испарения около 3 г/мин представляется разумной.Это будет около 180 г (около 7 унций) в час. Если воздух очень сухой, пот может незаметно испариться. Значительное количество испарения также происходит в легких и дыхательных путях.

Рис. 4. Кучевые облака образуются из-за водяного пара, который поднимается вверх из-за конвекции. Подъем облаков управляется механизмом положительной обратной связи. (кредит: Майк Лав)

Еще один важный пример сочетания фазового перехода и конвекции возникает при испарении воды из океанов.Тепло отводится от океана при испарении воды. Если водяной пар конденсируется в капли жидкости при образовании облаков, в атмосферу выделяется тепло. Таким образом, происходит общий перенос тепла из океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых облаков, тех огромных кучевых облаков, которые поднимаются в стратосферу на высоту до 20,0 км. Водяной пар, переносимый конвекцией, конденсируется, высвобождая огромное количество энергии. Эта энергия заставляет воздух расширяться и подниматься туда, где он холоднее.В этих более холодных регионах происходит больше конденсата, что, в свою очередь, поднимает облако еще выше. Такой механизм называется положительной обратной связью, так как процесс усиливает и ускоряет сам себя.

Рис. 5. Конвекция, сопровождаемая изменением фазы, высвобождает энергию, необходимую для того, чтобы вытолкнуть эту грозовую тучу в стратосферу. (кредит: Херардо Гарсия Моретти)

Эти системы иногда вызывают сильные бури с молниями и градом и представляют собой механизм, вызывающий ураганы (рис. 5).

Движение айсбергов (рис. 6) — еще один пример конвекции, сопровождающейся изменением фазы. Предположим, айсберг дрейфует из Гренландии в более теплые воды Атлантики. Тепло отводится от теплой океанской воды, когда тает лед, и выделяется на сушу, когда на Гренландии формируется айсберг.

Рис. 6. Фазовый переход, происходящий при таянии этого айсберга, связан с огромной теплопередачей. (кредит: Доминик Алвес)

Проверьте свое понимание

Объясните, почему использование вентилятора летом так освежает!

Решение

Использование вентилятора увеличивает поток воздуха: теплый воздух рядом с вашим телом заменяется более холодным воздухом из других мест.Конвекция увеличивает скорость теплопередачи, так что движущийся воздух «чувствует» себя холоднее, чем неподвижный воздух.

Резюме раздела

Конвекция – это перенос тепла макроскопическим движением массы. Конвекция может быть естественной или принудительной и обычно передает тепловую энергию быстрее, чем теплопроводность. В таблице 1 приведены коэффициенты охлаждения ветром, указывающие на то, что движущийся воздух оказывает такое же охлаждающее действие, как и гораздо более холодный стационарный воздух. Конвекция, происходящая вместе с фазовым переходом, может передавать энергию из холодных областей в теплые.

Концептуальные вопросы

  1. Одним из способов сделать камин более энергоэффективным является подача внешнего воздуха для сжигания топлива. Другой способ – обеспечить циркуляцию комнатного воздуха снаружи топки и обратно в комнату. Подробно опишите методы теплопередачи, задействованные в каждом из них.
  2. В холодные ясные ночи лошади будут спать под прикрытием больших деревьев. Как это помогает им согреться?

Задачи и упражнения

  1. При какой скорости ветра воздух с температурой -10ºC вызывает такое же охлаждение, как и неподвижный воздух при -29ºC?
  2. При какой температуре неподвижный воздух вызывает такое же охлаждение, что и воздух с температурой -5ºC, движущийся со скоростью 15 м/с?
  3. «Пар» над свежеприготовленной чашкой растворимого кофе на самом деле представляет собой капельки водяного пара, конденсирующиеся после испарения из горячего кофе.Какова будет конечная температура 250 г горячего кофе при начальной температуре 90,0°С, если из него испарится 2,00 г? Кофе находится в чашке из пенопласта, поэтому другими способами передачи тепла можно пренебречь.
  4. (a) Сколько килограммов воды должно испариться из тела женщины весом 60,0 кг, чтобы температура ее тела понизилась на 0,750ºC? (b) Является ли это разумным количеством воды, которое испаряется в виде пота, при низкой относительной влажности окружающего воздуха?
  5. В жаркий засушливый день испарение из озера имеет достаточно тепла, чтобы уравновесить 1.00 кВт/м 2  приходящего тепла от Солнца. Какая масса воды испаряется за 1,00 ч с каждого квадратного метра?
  6. Однажды зимним днем ​​система климат-контроля большого университетского учебного корпуса вышла из строя. В результате за каждую минуту поступает 500 м 3 избыточного холодного воздуха. С какой скоростью в киловаттах должен происходить теплообмен, чтобы нагреть этот воздух на 10,0°С (то есть довести воздух до комнатной температуры)?
  7. Вулкан Килауэа на Гавайях является самым активным в мире, извергающим около 5 × 10 5 м 3 лавы температурой 1200ºC в день.Какова скорость передачи тепла от земли конвекцией, если эта лава имеет плотность 2700 кг/м 90 268 3 90 269 и со временем охлаждается до 30ºC? Предположим, что удельная теплоемкость лавы такая же, как у гранита.

    Рис. 7. Поток лавы на вулкане Килауэа на Гавайях. (кредит: JP Eaton, Геологическая служба США)

  8. Во время тяжелой физической нагрузки тело перекачивает 2,00 л крови в минуту на поверхность, где она охлаждается на 2,00ºC. Какова скорость передачи тепла только от этой вынужденной конвекции, если предположить, что кровь имеет ту же удельную теплоемкость, что и вода, и ее плотность равна 1050 кг/м 3 ?
  9. Человек вдыхает и выдыхает 2.00 л воздуха с температурой 37,0ºC, испаряя 4,00 × 10 −2 г воды из легких и дыхательных путей при каждом вдохе. (а) Сколько тепла происходит за счет испарения при каждом вдохе? (b) Какова скорость теплопередачи в ваттах, если человек дышит со средней частотой 18,0 вдохов в минуту? (c) Если вдыхаемый воздух имел температуру 20,0ºC, какова скорость теплопередачи для нагревания воздуха? (d) Обсудите общую скорость теплопередачи по отношению к типичной скорости метаболизма.Будет ли это дыхание основной формой теплопередачи для этого человека?
  10. Стеклянный кофейник имеет круглое дно диаметром 9,00 см, находящееся в контакте с нагревательным элементом, который поддерживает температуру кофе с постоянной мощностью теплопередачи 50,0 Вт (a) Какова температура дна кофейника, если его толщина 3,00 мм, а внутренняя температура 60,0ºC? (b) Если температура кофе остается постоянной и вся теплопередача удаляется за счет испарения, сколько граммов в минуту испаряется? Теплоту парообразования примем равной 2340 кДж/кг.

Избранные решения задач и упражнений

1. 10 м/с

3. 85,7ºC

5. 1,48 кг

7. 2 × 10 4 МВт

9. (а) 97,2 Дж; (б) 29,2 Вт; (в) 9,49 Вт; (d) Общая скорость потери тепла составит 29,2 Вт + 9,49 Вт = 38,7 Вт. Во время сна наше тело потребляет 83 Вт энергии, а в положении сидя – от 120 до 210 Вт. Следовательно, общая скорость потери тепла при дыхании не будет основной формой потери тепла для этого человека.

примеров конвекции в повседневной жизни


В этом посте вы узнаете о конвекции тепла и примерах конвекции.
Если вы хотите получить выгоду от этого поста, вам понравится этот пост.
Комплектация:

  • Определение конвекции
  • Примеры
  • приложений
  • Еще лот…

Продолжайте читать…
W
Перенос тепла путем фактического движения молекул из горячего места в холодное называется конвекцией.Морской бриз, бриз с суши и конвекционное течение — вот несколько примеров конвекции. Конвекция происходит только в жидкостях и газах.
Жидкости и газы являются плохими проводниками тепла. Однако передача тепла через жидкости (жидкости или газы) легко осуществляется другим методом, называемым конвекцией.
Почему надутый горячим воздухом воздушный шар, показанный на рисунке .поднимается вверх? жидкость или газ становятся легче (менее плотными) по мере расширения при нагревании. Горячая жидкость или газ поднимается вверх над нагретой поверхностью. Более холодная жидкость или газ из окружающей среды заполняет места, которые в свою очередь нагреваются.таким образом вся жидкость нагревается. Поэтому передача тепла через жидкости происходит за счет фактического движения нагретых молекул от горячих частей жидкости к холодным.

Конвекция тепла в жидкостях

В отличие от твердых частиц частицы в жидкостях и газах перемещаются из одного места в другое. Возьмите стакан и положите в него небольшие кусочки бумаги.
Наполните стакан водой наполовину. Нагрейте химический стакан спиртовкой. Мы увидим, что кусочки бумаги поднимаются на поверхность воды, двигаются в стороны и опускаются на дно.Вода в стакане тоже нагревается. Молекулы воды поглощают тепловую энергию со дна стакана и поднимаются вверх. Другие окружающие молекулы воды опускаются на дно, чтобы поглотить тепловую энергию. Из приведенного выше эксперимента мы также можем определить конвекцию как: «Перенос тепла, при котором молекулы среды фактически движутся к источнику тепловой энергии для поглощения тепла, а затем удаляются от него, называется конвекцией».

Происходит ли конвекция в твердых телах?

Конвекция возникает в жидкостях и газах только потому, что их молекулы могут свободно двигаться.Молекулы твердого тела удерживаются близко друг к другу. Они не могут свободно двигаться. Молекулы твердого тела удерживаются близко друг к другу. Они не могут свободно двигаться, поэтому конвекция в твердых телах невозможна.

Чем отличается наземный бриз от морского бриза?

Сухопутный бриз:
Сухопутный и морской бризы являются результатом конвекции. В жаркий день температура суши повышается быстрее, чем моря. Это связано с тем, что удельная теплоемкость земли намного меньше по сравнению с водой.Воздух над землей нагревается и поднимается вверх. холодный воздух с моря начинает двигаться в сторону суши. Его называют морским бризом.
Морской бриз:
Ночью земля остывает быстрее, чем море. Поэтому воздух над морем теплее, поднимается вверх, а холодный воздух с суши начинает двигаться к морю, как показано на рисунке. Это называется морским бризом.

ПЛАНИРОВАНИЕ:

Что заставляет планер оставаться в воздухе?
Планер, похожий на небольшой самолет без двигателя.Пилоты-планеристы используют восходящее движение потоков горячего воздуха за счет конвекции тепла. Эти восходящие потоки горячего воздуха называются термиками . полет на планере по этим термикам. Восходящее движение воздушных потоков в термиках помогает им долго оставаться в воздухе.
Как термики помогают птицам часами летать, не хлопая крыльями?
Птицы расправляют крылья и кружат в этих термиках. Восходящее движение воздуха помогает птицам подниматься вместе с ним. Орлы, ястребы и грифы — опытные альпинисты . После свободного полета птицы могут часами летать, не хлопая крыльями. Они планируют от одного термика к другому и, таким образом, преодолевают большие расстояния, и им почти не нужно взмахивать крыльями.

Примеры конвекции

  • Водяной насос в доме, где горячая вода разделяется для эффективного ее распределения, проходя через устройство (насос), чтобы она попадала в душ, и человек мог купаться в необходимом количестве.
  • В домашних духовках используется конвекционная технология, позволяющая человеку регулировать желаемый уровень температуры при приготовлении холодных блюд.Внутри будет циркулировать поток горячего воздуха.
  • Конвекция происходит на дне океанов, где энергия воды встречается с холодной поверхностью, что приводит к возникновению океанских течений.
  • Когда вулкан извергается, это происходит потому, что сила тяжести притягивает его горячие флюиды к поверхности, а остальные флюиды спускаются вниз.
  • Конвекционные печи передают тепло, создавая полностью естественную циркуляцию воздуха, что обеспечивает равномерное распределение тепла по всему помещению.
  • Тепловые аэростаты поддерживаются в воздухе благодаря горячему воздуху, выходящему из двигателя, но если они остывают, то шары начинают схлопываться.
  • Когда человек купается в очень горячей воде, стекло в душе запотевает.
  • Фен оснащен двигателем, который служит вентилятором для нагнетания воздуха через горячий резистор. Следовательно, он передает тепло за счет принудительной конвекции.

Применение конвекции

  • Бытовая система водоснабжения основана на конвекции.Он работает как:

Нагрев воды в котле газовыми горелками. Горячая вода расширяется и становится менее плотной. Отсюда она поднимается и течет в верхнюю половину цилиндра.
Для замены горячей воды холодная вода из цистерны попадает в нижнюю половину цилиндра и далее в котел из-за разницы давлений.
Переливная труба крепится к цилиндру на тот случай, если температура воды станет слишком высокой и вызовет сильное расширение горячей воды.
Кран горячей воды, выходящий из переливной трубы, должен быть ниже бачка, чтобы из-за перепада давления между бачком и краном вода вытекала из крана.

Нагревательный змеевик электрического чайника всегда размещается на дне чайника.
При включении питания вода возле нагревательного змеевика нагревается, расширяется и становится менее плотной. Таким образом, нагретая вода поднимается вверх, а более холодные области в верхней части водоема опускаются, заменяя нагретую воду.

Вращающийся вентилятор внутри кондиционера принудительно охлаждает сухой воздух в помещении. Холодный воздух, будучи плотным, опускается, а теплый воздух внизу, будучи менее плотным, поднимается вверх и втягивается в кондиционер, где охлаждается. Таким образом, воздух рециркулирует, и температура воздуха падает до значения, установленного на термостате.

Холодильники работают почти так же, как кондиционер. Морозильная установка размещена вверху для охлаждения воздуха, будучи плотным. Опускается, а теплый воздух снизу поднимается.Это создает конвекционные потоки внутри шкафа, которые помогают охлаждать содержимое внутри.

Узнать больше о конвекции посмотреть видео:

Просмотр:

 

Конвекция – Энергетическое образование

Конвекция – это способ перемещения тепла, также называемый механизмом теплопередачи. Эта передача тепла происходит, когда жидкость, такая как воздух или вода, находится в движении. Конвекция обусловлена ​​разницей температур в этой жидкости.Когда жидкость нагревается, область, наиболее близко контактирующая с источником тепла, становится менее плотной из-за увеличения кинетической энергии частиц. Затем часть жидкости с меньшей плотностью поднимается вверх, а часть жидкости с большей плотностью опускается. Процесс повторяется, потому что менее плотные жидкости охлаждаются по мере удаления от источника тепла, заставляя их опускаться, а более плотные жидкости нагреваются по мере приближения к источнику тепла, заставляя их подниматься. Это создает конвекционные потоки.

  • Естественная конвекция
  • Рисунок 1.Воздух над землей нагревается быстрее, чем воздух над водой, что приводит к конвекции, которая ощущается как прохладный океанский бриз. [1]

  • Рисунок 2. Конвекционный обогрев помещения бесшумный и энергоэффективный. [1]


Конвекция играет большую роль в структуре ветра и в пассивной вентиляции. Движение ветра по земному шару зависит от различных мест, где теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается, создавая большие ветровые потоки, влияющие на погоду.Например, воздух над сушей обычно нагревается солнцем в течение дня, а воздух над морем остается прохладным. Горячий воздух над землей будет подниматься в атмосферу. По мере того, как он поднимается, он также остывает и становится более плотным, заставляя его снова опускаться. Эта концепция проиллюстрирована на рис. 1.

Подобно тому, как конвекция работает в атмосфере, конвекция также вызывает пассивную вентиляцию (естественное движение воздуха) в помещении, как показано на рис. 2. В то время как естественная конвекция может использоваться внутри домов, принудительная конвекция более распространена.

Принудительная конвекция

основной артикул

Хотя в домах можно использовать естественную конвекцию, чаще используется принудительная конвекция. Это когда потоки воздуха прогоняются через комнату вентилятором. Принудительная конвекция может достигать тех же эффектов, что и естественная конвекция, этому процессу просто способствуют такие устройства, как вентиляторы. Если в вашем доме есть вентиляционные отверстия в нижней части стен, это пример принудительной конвекции.

  • Потолочные вентиляторы
  • Рисунок 3. Летом потолочные вентиляторы должны вращаться против часовой стрелки, чтобы смешивать теплый воздух и направлять вниз прохладный ветерок, создавая нисходящий поток. [2]

  • Рисунок 4. Зимой потолочные вентиляторы должны вращаться по часовой стрелке, чтобы вытягивать холодный воздух из комнаты вверх и нагнетать теплый воздух вниз, создавая восходящий поток. [2]


Конвекция — один из основных способов передачи тепла.Другими являются теплопроводность, [3] лучистая энергия [3] и эвапотранспирация. [4]

Дополнительное чтение

Каталожные номера

  1. 1.0 1.1 «Выбор чтения свойств материи: плотность создает течения». [В сети]. Доступно: http://www.propertiesofmatter.si.edu/Density_Creates.html
  2. 2.0 2.1 Создано внутри организации членом группы Energy Education
  3. 3.0 3.1 Р. Д. Найт, «Работа», в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 2-е изд. Сан-Франциско: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008 г., гл. 11, стр. 325–327.
  4. ↑ Р. Вольфсон, «Общество высоких энергий», в Energy, Environment and Climate, , 2-е изд. Нью-Йорк: Нортон, 2012, гл. 12, стр. 333

Конвекция в науке: определение, уравнение и примеры — видео и расшифровка урока

Что такое конвекционные потоки?

Вы когда-нибудь держали руку над кастрюлей с кипящей водой? Вы, вероятно, не могли держать его там долго.Но когда вы кладете руку рядом с в один и тот же банк, он чувствует себя прекрасно. Почему это происходит? Из-за конвекции!

Существует три типа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Конвекция — это тип теплопередачи, который может происходить только в жидкостях и газах, потому что эти жидкости или газы физически движутся.

Конвекция возникает при разнице температур между двумя частями жидкости или газа. Горячая часть жидкости поднимается, а более холодная опускается.Но давайте воспользуемся примером, чтобы подумать о том, почему это происходит, чтобы не предположить, что у жидкости есть собственный разум.

После дня хорошей и основательной учебы пора сделать перерыв. Ставишь чайник, чтобы заварить чай. Чайник нагревает воду снизу, давая молекулам у дна больше кинетической энергии (энергии движения). Это дополнительное движение позволяет молекулам немного разойтись. Если они более разбросаны, то это означает, что вода менее плотная. Холодная вода обычно более плотная, чем горячая.

Конвекционные потоки в кипящей воде — кастрюле или чайнике

Если вы поместите что-то менее плотное внутрь чего-то более плотного, что произойдет? Ну попробуй поставить пробку под воду. Вы не удивитесь, увидев, как он прыгает прямо на поверхность. Точно так же горячая вода на дне чайника имеет меньшую плотность, чем холодная вода над ним, поэтому она поднимется на поверхность. Как только он попадает туда, он снова остывает, потому что находится дальше от нагревательного элемента.Это приводит к тому, что он становится более плотным и тонет.

Эти движения воды являются конвекционными потоками, поэтому кипящая вода так сильно движется. Вода нагревается и становится менее плотной, затем поднимается и охлаждается, снова становясь более плотной, пока не опустится. Этот процесс повторяется снова и снова. И все это происходит из-за простой разницы температур верха и низа чайника.

Итак, минуту назад я спросил вас, почему так жарко над кипящим котлом с водой, когда совершенно удобно положить рядом с ним руку.Причиной этого являются конвекционные потоки. Это потому, что тепло поднимается. Когда вы кладете руку рядом с кастрюлей, вы получаете энергию за счет других видов теплопередачи, таких как теплопроводность и излучение. Но не очень. Однако над ним вы добавляете конвекцию в смесь. Нагретый воздух буквально поднимается навстречу вам, к вашей руке.

В чем разница между проводимостью, конвекцией и излучением?

Скачать эту статью в формате PDF

Теплопередача — это физический акт обмена тепловой энергией между двумя системами путем рассеивания тепла.Температура и поток тепла являются основными принципами теплообмена. Количество доступной тепловой энергии определяется температурой, а тепловой поток представляет собой движение тепловой энергии.

В микроскопическом масштабе кинетическая энергия молекул находится в прямой зависимости от тепловой энергии. По мере повышения температуры молекулы увеличивают тепловое возбуждение, проявляющееся в прямолинейном движении и вибрации. Области с более высокой кинетической энергией передают энергию областям с более низкой кинетической энергией.Проще говоря, теплообмен можно разделить на три основные категории: теплопроводность, конвекция и излучение.

Изображение выше, предоставленное НАСА, показывает, как все три метода теплопередачи (проводимость, конвекция и излучение) работают в одной и той же среде.

 

Проводимость

Теплопроводность передает тепло посредством прямого молекулярного столкновения. Область с большей кинетической энергией будет передавать тепловую энергию области с меньшей кинетической энергией. Частицы с более высокой скоростью будут сталкиваться с частицами с более низкой скоростью.В результате кинетическая энергия частиц с более низкой скоростью будет увеличиваться. Теплопроводность является наиболее распространенной формой теплопередачи и происходит через физический контакт. Например, прислонить руку к окну или поднести металл к открытому пламени.

Процесс теплопроводности зависит от следующих факторов: температурный градиент, поперечное сечение материала, длина пути перемещения и физические свойства материала. Градиент температуры — это физическая величина, описывающая направление и скорость распространения тепла.Температурный поток всегда будет происходить от самой горячей к самой холодной или, как указывалось ранее, от большей к меньшей кинетической энергии. Как только между двумя разностями температур устанавливается тепловое равновесие, теплопередача прекращается.

Поперечное сечение и путь прохождения играют важную роль в проводимости. Чем больше размер и длина объекта, тем больше энергии требуется для его нагрева. И чем больше площадь открытой поверхности, тем больше тепла теряется. Меньшие объекты с небольшим поперечным сечением имеют минимальные потери тепла.

Физические свойства определяют, какие материалы передают тепло лучше, чем другие. В частности, коэффициент теплопроводности диктует, что металлический материал будет проводить тепло лучше, чем ткань, когда речь идет о проводимости. Следующее уравнение вычисляет скорость проводимости:

Q = [k · A · (T горячий – T холодный )]/d

где Q = тепло, передаваемое в единицу времени; k = теплопроводность барьера; A = площадь теплообмена; T hot = температура горячей области; T cold = температура холодного региона; d = толщина барьера.

Современное использование проводимости разрабатывает доктор Гьюнг-Мин Чой из Университета Иллинойса. Доктор Чой использует спиновой ток для создания вращающего момента. Момент передачи спина — это передача углового момента спина, создаваемого электронами проводимости, на намагниченность ферромагнетика. Вместо использования магнитных полей это позволяет манипулировать наномагнитами с помощью спиновых токов. (Любезно предоставлено Алексом Хересом, Imaging Technology Group, Институт Бекмана)

 

Конвекция

Когда жидкость, такая как воздух или жидкость, нагревается и затем удаляется от источника, она уносит с собой тепловую энергию.Такой вид теплообмена называется конвекцией. Жидкость над горячей поверхностью расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх.

На молекулярном уровне молекулы расширяются при введении тепловой энергии. При увеличении температуры данной массы жидкости объем жидкости должен увеличиваться во столько же раз. Это воздействие на жидкость вызывает смещение. По мере того, как горячий воздух поднимается вверх, он толкает более плотный и холодный воздух вниз. Эта серия событий показывает, как формируются конвекционные потоки.Уравнение скорости конвекции рассчитывается следующим образом:

Q = h c · A · (T s – T f )

где Q = тепло, передаваемое в единицу времени; h c = коэффициент конвективной теплопередачи; A = площадь теплообмена поверхности; T s = температура поверхности; и T f = температура жидкости.

Обогреватель — классический пример конвекции. По мере того, как обогреватель нагревает воздух, окружающий его у пола, температура воздуха повышается, он расширяется и поднимается к верхней части комнаты.Это заставляет более холодный воздух опускаться вниз, так что он нагревается, создавая тем самым конвекционный поток.

 

Радиация

Тепловое излучение возникает в результате излучения электромагнитных волн. Эти волны уносят энергию от излучающего объекта. Излучение происходит через вакуум или любую прозрачную среду (твердую или жидкую). Тепловое излучение является прямым результатом случайных движений атомов и молекул в материи. Движение заряженных протонов и электронов приводит к излучению электромагнитного излучения.

Все материалы излучают тепловую энергию в зависимости от их температуры. Чем горячее объект, тем больше он будет излучать. Солнце является ярким примером теплового излучения, которое переносит тепло через солнечную систему. При нормальной комнатной температуре объекты излучают инфракрасные волны. Температура объекта влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. По мере повышения температуры длины волн в спектрах испускаемого излучения уменьшаются и излучаются более короткие волны с более высокочастотным излучением.Тепловое излучение рассчитывается по закону Стефана-Больцмана:

P = e · σ · A · (T r 4 – T c 4 )

, где P = полезная излучаемая мощность; A = площадь излучения; Tr = температура радиатора; Tc = температура окружающей среды; е = коэффициент излучения; и σ = постоянная Стефана.

Коэффициент излучения идеального радиатора имеет значение 1. Обычные материалы имеют более низкие значения коэффициента излучения. Анодированный алюминий имеет коэффициент излучения 0,9, а медь — 0.04.

Солнечная батарея или фотогальванический элемент преобразует энергию света в электричество посредством фотогальванического эффекта. Свет поглощается и переводит электркон в более высокое энергетическое состояние, а электрический потенциал создается разделением зарядов. В последние годы эффективность солнечных батарей возросла. Фактически, те, которые в настоящее время производятся компанией SolarCity, соучредителем которой является Илон Маск, составляют 22%.

Коэффициент излучения определяется как эффективность объекта в излучении энергии в виде теплового излучения.Это отношение при данной температуре теплового излучения от поверхности к излучению от идеально черной поверхности, определяемое законом Стефана-Больцмана. Постоянная Стефана определяется константами природы. Значение константы следующее:

Σ = (2 · π 5 · K 4 ) / (15 · C 2 · H 3 ) = 5.670373 × 10 -8 W · M -2 · K -4

, где k = постоянная Больцмана; h = постоянные Планка; c = скорость света в вакууме.

Каковы примеры применения конвекции в повседневной жизни?

Примеры конвекции в повседневной жизни
КОНВЕКТИВНЫЕ ЯЧЕЙКИ
Одним из важных механизмов конвекции, будь то в воздухе, воде или даже твердой земле, является конвективная ячейка, иногда известная как конвективная ячейка. Последний может быть определен как круговой узор, созданный подъемом нагретой жидкости и опусканием охлажденной жидкости. Конвективные ячейки могут быть всего несколько миллиметров в поперечнике, а могут быть больше самой Земли.
Эти клетки можно наблюдать в нескольких масштабах. Внутри тарелки с супом нагретая жидкость поднимается вверх, а охлажденная опускается. Эти процессы обычно трудно увидеть, если только речь не идет о японском супе мисо. В этом случае можно наблюдать, как кусочки соевой пасты или мисо поднимаются при нагревании, а затем падают внутрь для повторного нагрева.
В гораздо большем масштабе конвективные ячейки присутствуют на Солнце. Эти обширные клетки появляются на поверхности Солнца в виде зернистого узора, образованного колебаниями температуры между частями клетки.Яркие пятна — это вершина восходящих конвекционных потоков, а темные области — это охлажденный газ на пути к недрам Солнца, где он будет нагреваться и снова подниматься.
Кучево-дождевое облако, или «грозовая голова», является особенно ярким примером конвекционной ячейки. Это одни из самых поразительных облачных образований, которые вы когда-либо видели, и по этой причине режиссер Акира Куросава использовал сцены катящихся грозовых туч, чтобы добавить атмосферности (в буквальном смысле) своему эпическому фильму «Ран» 1985 года. В течение всего нескольких минут эти вертикальные башни облаков формируются по мере того, как нагретый влажный воздух поднимается вверх, затем охлаждается и опускается.В результате получается облако, которое, кажется, олицетворяет как силу, так и беспокойство, отсюда и использование Куросавой кучево-дождевых облаков в сцене, происходящей накануне битвы.
МОРСКОЙ БРИЗ.
Конвективные ячейки вместе с конвекционными течениями помогают объяснить, почему на пляже обычно дует бриз. На побережье, конечно же, есть поверхность земли и поверхность воды, обе освещенные солнечным светом. При таком воздействии температура суши повышается быстрее, чем температура воды. Причина в том, что вода обладает чрезвычайно высокой удельной теплоемкостью, то есть количеством теплоты, которое необходимо добавить или отвести от единицы массы, чтобы данное вещество изменило свою температуру на 33.8°F (1°C). Таким образом, озеро, ручей или океан всегда являются хорошим местом, чтобы охладиться в жаркий летний день.
Таким образом, земля нагревается быстрее, как и воздух над ней. Этот нагретый воздух поднимается в конвекционном потоке, но по мере того, как он поднимается и, таким образом, преодолевает притяжение, он расходует энергию и поэтому начинает охлаждаться. Затем охлажденный воздух опускается. И так происходит, когда нагретый воздух поднимается, а охлаждающий опускается, образуя конвективную ячейку, в которой постоянно циркулирует воздух, создавая ветерок.
КОНВЕКТИВНЫЕ ЯЧЕЙКИ ПОД НАШИМИ НОГАМИ.
Конвективные ячейки также могут существовать в твердой земле, где они вызывают смещение плит (подвижных сегментов) литосферы — верхнего слоя недр Земли, включая кору и хрупкую часть в верхней части мантии. Таким образом, они играют роль в тектонике плит, одной из наиболее важных областей изучения наук о Земле. Тектоника плит объясняет множество явлений, от дрейфа континентов до землетрясений и извержений вулканов. (См. «Тектоника плит» для большей информации по этому вопросу.)
В то время как электромагнитная энергия Солнца является источником тепла для атмосферной конвекции, энергия, управляющая геологической конвекцией, является геотермальной и поднимается из ядра Земли в результате радиоактивного распада. (См. Энергия и Земля.) Конвективные ячейки формируются в астеносфере, области чрезвычайно высокого давления на глубине около 60-215 миль.