Konwekcja

Definicja  Konwekcja – proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w płynie; gazie, cieczy bądź plazmie, np. powietrzu, wodzie, plazmie gwiazdowej. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym.

Prąd konwekcjonalny  Każda konwekcja wynika z istnienia prądu konwekcyjnego. W konwekcji naturalnej prąd ten powodowany różnicą gęstości pomiędzy obszarami o różnej temperaturze w płynie. W stanie stacjonarnym prądy konwekcyjne tworzą zamknięte pętle - komórki konwekcyjne. Komórka konwekcyjna, w danych warunkach (różnicy temperatur, lepkości płynu) ma pewne minimalne rozmiary. Jeżeli objętość, w której znajduje się płyn, jest mniejsza od minimalnego rozmiaru komórki konwekcyjnej, wówczas prąd konwekcyjny nie powstaje i zjawisko konwekcji nie zachodzi. Efekt ten ma kluczowe znaczenie w konstruowaniu materiałów izolacyjnych, w których występują przestrzenie wypełnione powietrzem.

Wykorzystanie konwekcji cz. 1  Powietrze w pokoju ogrzewa się od rozgrzanego pieca lub grzejnika kaloryfera. Najpierw ogrzewa się warstwa powietrza położonego blisko pieca lub grzejnika. Ogrzane powietrze rozszerza się, jego gęstość staje się mniejsza i unosi się ono do góry. Na jego miejsce wchodzi powietrze chłodne, które następnie także się ogrzewa i unosi do góry. Następuje krążenie (cyrkulacja) powietrza po pokoju; nosi ono nazwę prądów konwekcyjnych, a samo zjawisko powstawania prądów nosi nazwę konwekcji.  Jeśli piec stoi przy ścianie naprzeciw okna to chłodne powietrze przesuwa się nad podłogą od okna do pieca, tam ogrzewa się i unosi do sufitu, a pod sufitem przesuwa się w stronę okna, tam ochładza się i opada ku dołowi. Temperatura w pokoju jest więc stale niższa nad podłogą, a wyższa pod sufitem, co jest niekorzystne.  W przypadku ogrzewania pomieszczeń kaloryferem ustawionym pod oknem, prąd powietrza ciepłego unoszącego się znad kaloryfera oddziela pokój od powietrza ochłodzonego przychodzącego od strony okien. W pokoju jest więc bardziej wyrównana temperatura, ale powietrze zawiera mniej pary wodnej (jest bardziej suche) i konieczne jest nawilżanie.  Obecnie coraz szerzej stosuje się ogrzewanie podłogowe i następuje od dołu równomierne ogrzewanie całego pomieszczenia. Nie ma potrzeby ogrzewania powietrza pod oknem, bowiem nowe okna są szczelne i nie przewodzą ciepła.

Wykorzystanie konwekcji cz. 2  W piwnicy albo niezbyt głębokiej kopalni latem temperatura jest zdecydowanie niższa, niż na powierzchni. Ciepłe powietrze nie może się przecież przemieszczać w dół, a zimne do góry. Nie ma więc konwekcji, a to głównie dzięki niej następuje wymiana ciepła w gazach. Brak ruchu powietrza powoduje, że w piwnicach i sztolniach utrzymuje się wilgoć.  Ciecz w naczyniu należy podgrzewać od spodu. Gdy podgrzewamy ją od spodu to następuje unoszenie cząsteczek ciepłej cieczy do góry i ogrzewa się cała objętość wody. Ogrzewanie górnej lub środkowej części naczynia spowoduje ogrzanie jedynie górnej części cieczy. W ciałach stałych konwekcja nie następuje, ponieważ cząsteczki nie poruszają się ruchem postępowym.  W gorących krajach ludzie noszą luźne, bawełniane stroje. Gorące powietrze nie dociera wówczas do ich ciał dzięki warstwie powietrza pomiędzy skórą a ubraniem, a prądy konwekcyjne pod ubraniem odprowadzają rozgrzane ciepłe powietrze na zewnątrz.  Konwekcję ciepła spotykamy w przyrodzie. Nagrzana słońcem Ziemia jest bywa cieplejsza niż powietrze nad nią. Powietrze ogrzane przez Ziemię unosi się w górę, tworząc konwekcyjny prąd termiczny. Ptaki wykorzystują konwekcyjne prądy termiczne, krążąc w konwekcyjnym prądzie powietrza mogą się wznosić wyżej bez machania skrzydłami. W taki sam sposób korzystają z prądów konwekcyjnych piloci szybowców i lotni, aby zwiększyć wysokość lotu. Przykładem konwekcji są również prądy morskie. Przenoszą one ciepłe lub zimne masy wody i mają bardzo duży wpływ na klimat krain geograficznych.

Rozszerzalność temperaturowa ciał  Zjawisko zwiększanie objętości ciał w miarę wzrostu temperatury i zmniejszanie ich objętości w miarę obniżania temperatury. Ogrzane ciała stałe, ciecze i gazy zwiększają swoją objętość, gdyż ich cząsteczki po dostarczeniu im ciepła poruszają się szybciej.  Największą rozszerzalnością temperaturową odznaczają się gazy, najmniejszą zaś ciała stałe. Rozszerzalność cieczy i ciał stałych jest różna i zależna od rodzaju substancji.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej ciał  połączenia szyn kolejowych i stalowe konstrukcje mostów wymagają stosowania szczelin,  Kable telefoniczne i elektryczne w instalacjach napowietrznych zmieniają swą długość, co powoduje ich zwisanie.  płytki bimetalowe w wyłącznikach termostatycznych (np. w żelazku, lodówce) zmieniają swój kształt załączając lub rozłączając obwody elektryczne; w termometrach bimetalowych działają poprzez dźwignię na wskazówkę.  przedmioty mogące się po sobie przesuwać z pewnymi oporami, przy zmianach temperatury zmieniają wzajemne usytuowanie, powodując przy tym różnorakie szmery i trzaski często słyszalne podczas użytkowania pieców, lamp oświetleniowych, nagrzewających się urządzeń elektrycznych, a także w domu nocą, gdy temperatura spada.  może być przyczyną pękania powierzchni klejonych, gdy współczynniki rozszerzalności klejonych obiektów i spoiny klejowej różnią się zbytnio, a klej nie jest elastyczny.  zjawisko rozszerzalności cieplnej gazów można także wykorzystywać, naprawiając w prosty sposób zgniecioną piłeczkę pingpongową. Powietrze wewnątrz ogrzanej piłeczki rozszerza się i nadaje jej poprzedni kształt.  balon zwiększa swoje rozmiary i może pęknąć, gdy z zimnego otoczenia przyniesiemy go do ciepłego pokoju.