Als je je hand dichter bij een ingeschakelde elektrische lamp brengt of je handpalm boven een hete kachel houdt, kun je de beweging van warme luchtstromen voelen. Hetzelfde effect kan worden waargenomen wanneer een vel papier over een open vlam wordt geoscilleerd. Beide effecten worden verklaard door convectie.
Wat is het?
Het fenomeen convectie is gebaseerd op de uitzetting van een koudere substantie in contact met hete massa's. In dergelijke omstandigheden verliest de verwarmde substantie zijn dichtheid en wordt lichter in vergelijking met de koude ruimte eromheen. Het meest nauwkeurig komt dit kenmerk van het fenomeen overeen met de beweging van warmtestromen wanneer water wordt verwarmd.
De beweging van moleculen in tegengestelde richtingen onder invloed van verwarming is precies waar convectie op is gebaseerd. Straling en thermische geleidbaarheid zijn vergelijkbare processen, maar ze hebben voornamelijk betrekking op de overdracht van thermische energie in vaste stoffen.
Levendige voorbeelden van convectie - de beweging van warme lucht in het midden van een kamer met verwarmingapparaten, wanneer verwarmde stromen onder het plafond bewegen en koude lucht naar het oppervlak van de vloer da alt. Daarom is de lucht boven in de kamer, als de verwarming aanstaat, merkbaar warmer dan onder in de kamer.
Wet van Archimedes en thermische uitzetting van fysieke lichamen
Om te begrijpen wat natuurlijke convectie is, volstaat het om het proces te beschouwen aan de hand van het voorbeeld van de wet van Archimedes en het fenomeen van uitzetting van lichamen onder invloed van thermische straling. Dus volgens de wet leidt een temperatuurstijging noodzakelijkerwijs tot een toename van het vloeistofvolume. De vloeistof die van onderaf in de containers wordt verwarmd, stijgt hoger en vocht met een hogere dichtheid da alt respectievelijk. Bij verwarming van bovenaf zullen meer en minder dichte vloeistoffen op hun plaats blijven, in welk geval het fenomeen niet zal optreden.
De opkomst van het concept
De term 'convectie' werd voor het eerst voorgesteld door de Engelse wetenschapper William Prout in 1834. Het werd gebruikt om de beweging van thermische massa's in verwarmde, bewegende vloeistoffen te beschrijven.
De eerste theoretische studies van het fenomeen convectie begonnen pas in 1916. Tijdens de experimenten bleek dat de overgang van diffusie naar convectie in van onderaf verwarmde vloeistoffen optreedt wanneer bepaalde kritische temperatuurwaarden worden bereikt. Later werd deze waarde gedefinieerd als het "Roel-nummer". Het is zo genoemd naar de onderzoeker die het heeft bestudeerd. De resultaten van de experimenten maakten het mogelijk de beweging van warmtestromen onder invloed van de krachten van Archimedes te verklaren.
Soorten convectie
Er zijn verschillende soorten van het fenomeen dat we beschrijven - natuurlijke en geforceerde convectie. Een voorbeeld van de beweging van warme en koude luchtstromen in het midden van een ruimte is de beste manier om het proces van natuurlijke convectie te karakteriseren. Wat betreft geforceerd, dit kan worden waargenomen bij het mengen van de vloeistof met een lepel, pomp of roerder.
Convectie is onmogelijk wanneer vaste stoffen worden verwarmd. Dit komt door de vrij sterke onderlinge aantrekkingskracht tijdens de vibratie van hun vaste deeltjes. Als gevolg van verwarming van vaste structuurlichamen treden convectie en straling niet op. Thermische geleidbaarheid vervangt deze verschijnselen in dergelijke lichamen en draagt bij aan de overdracht van thermische energie.
De zogenaamde capillaire convectie is een apart type. Het proces vindt plaats wanneer de temperatuur verandert tijdens de beweging van vloeistof door de leidingen. Onder natuurlijke omstandigheden is de betekenis van dergelijke convectie, samen met natuurlijke en geforceerde convectie, uiterst onbeduidend. In de ruimtetechnologie worden capillaire convectie, straling en thermische geleidbaarheid van materialen echter zeer belangrijke factoren. Zelfs de zwakste convectieve bewegingen onder gewichtloze omstandigheden maken het moeilijk om sommige technische taken uit te voeren.
Convectie in de lagen van de aardkorst
Convectieprocessen zijn onlosmakelijk verbonden met de natuurlijke vorming van gasvormige stoffen in de dikte van de aardkorst. De globe kan worden beschouwd als een bol bestaande uit meerdere concentrische lagen. In het midden bevindt zich een massieve hete kern, een vloeibare massa met een hoge dichtheid die ijzer bevat,nikkel, evenals andere metalen.
De omringende lagen voor de aardkern zijn de lithosfeer en de halfvloeibare mantel. De bovenste laag van de aardbol is direct de aardkorst. De lithosfeer wordt gevormd door afzonderlijke platen die in vrije beweging langs het oppervlak van de vloeistofmantel bewegen. In de loop van ongelijkmatige verwarming van verschillende delen van de mantel en rotsen, die verschillen in verschillende samenstelling en dichtheid, worden convectieve stromen gevormd. Het is onder invloed van dergelijke stromingen dat de natuurlijke transformatie van de oceaanbodem en de beweging van de dragende continenten plaatsvindt.
Verschillen tussen convectie en warmtegeleiding
Thermische geleidbaarheid moet worden begrepen als het vermogen van fysieke lichamen om warmte over te dragen door de beweging van atomaire en moleculaire verbindingen. Metalen zijn uitstekende warmtegeleiders, omdat hun moleculen in nauw contact met elkaar staan. Integendeel, gasvormige en vluchtige stoffen werken als slechte warmtegeleiders.
Hoe gebeurt convectie? De fysica van het proces is gebaseerd op de overdracht van warmte door de vrije beweging van de massa moleculen van stoffen. Op zijn beurt bestaat thermische geleidbaarheid uitsluitend uit de overdracht van energie tussen de samenstellende deeltjes van een fysiek lichaam. Beide processen zijn echter onmogelijk zonder de aanwezigheid van materiedeeltjes.
Voorbeelden van het fenomeen
Het eenvoudigste en meest begrijpelijke voorbeeld van convectie is het proces van een gewone koelkast. oplagegekoeld freongas door de leidingen van de koelkamer leidt tot een verlaging van de temperatuur van de bovenste luchtlagen. Dienovereenkomstig worden koude stromen vervangen door warmere stromen en zinken ze naar beneden, waardoor de producten worden gekoeld.
Het rooster op het achterpaneel van de koelkast speelt de rol van een element dat de verwijdering van warme lucht die tijdens gascompressie in de compressor van de unit wordt gevormd, vergemakkelijkt. Netkoeling is ook gebaseerd op convectieve mechanismen. Het is om deze reden dat het niet wordt aanbevolen om de ruimte achter de koelkast vol te proppen. Alleen in dit geval kan er immers probleemloos worden afgekoeld.
Andere voorbeelden van convectie zijn te zien door een natuurverschijnsel als de beweging van de wind te observeren. Opwarming over dorre continenten en afkoeling over ruwer terrein, luchtstromen beginnen elkaar te verplaatsen, waardoor ze gaan bewegen, en ook om vocht en energie te verplaatsen.
De mogelijkheid van zwevende vogels en zweefvliegtuigen is gebonden aan convectie. Minder dichte en warmere luchtmassa's, met ongelijke verwarming nabij het aardoppervlak, leiden tot de vorming van oplopende stromingen, die bijdragen aan het stijgende proces. Om de maximale afstanden te overbruggen zonder kracht en energie te verbruiken, hebben vogels het vermogen nodig om dergelijke stromen te vinden.
Goede voorbeelden van convectie zijn de vorming van rook in schoorstenen en vulkanische kraters. De opwaartse beweging van rook is gebaseerd op de hogere temperatuur en lagere dichtheid in vergelijking met de omgeving. Terwijl de rook afkoelt, zakt het geleidelijk naar de lagere lagen van de atmosfeer. Precies om deze redenindustriële leidingen, waardoor schadelijke stoffen in de atmosfeer terechtkomen, worden zo hoog mogelijk gemaakt.
De meest voorkomende voorbeelden van convectie in de natuur en technologie
Onder de eenvoudigste, gemakkelijk te begrijpen voorbeelden die kunnen worden waargenomen in de natuur, het dagelijks leven en de technologie, moeten we het volgende benadrukken:
- luchtstroom tijdens gebruik van huishoudelijke verwarmingsbatterijen;
- vorming en beweging van wolken;
- het proces van beweging van wind, moessons en briesjes;
- verschuiving van tektonische aardplaten;
- processen die leiden tot vrije gasvorming.
Koken
Het fenomeen convectie wordt steeds vaker gerealiseerd in moderne huishoudelijke apparaten, met name in ovens. Door de gaskast met convectie kook je verschillende gerechten tegelijk op aparte niveaus op verschillende temperaturen. Dit elimineert volledig het mengen van smaken en geuren.
De traditionele oven vertrouwt op een enkele brander om de lucht te verwarmen, wat resulteert in een ongelijkmatige warmteverdeling. Door de doelgerichte beweging van hete luchtstromen met behulp van een gespecialiseerde ventilator, blijken gerechten in een heteluchtoven sappiger en beter gebakken. Dergelijke apparaten warmen sneller op, waardoor er minder tijd nodig is om te koken.
Natuurlijk, voor huisvrouwen die maar een paar keer per jaar in de oven koken, een huishoudapparaat metde functie van convectie kan geen techniek van eerste noodzaak worden genoemd. Maar voor degenen die niet zonder culinaire experimenten kunnen leven, zal zo'n apparaat gewoon onmisbaar worden in de keuken.
We hopen dat het gepresenteerde materiaal nuttig voor je was. Veel succes!
