Konwekcja grzegorz Flis ITR

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.

Konwekcja jako proces Wyróżnia się: Konwekcję swobodną – ruch płynu jest wywołany różnicami gęstości wywołanymi konwekcją. Konwekcję wymuszoną – występuje ruch płynu nie wynikający z konwekcji, wywoływany przez czynniki zewnętrzne urządzenia wentylacyjne, wiatr itp. W układach fizycznych często występuje konwekcja mieszana, będącą złożeniem obu typów konwekcji. Ilość przekazanego ciepła przez konwekcję zależy od szybkości ruchu płynu, dlatego w celu zwiększenia przekazywania ciepła w komputerach, chłodnicach samochodowych itp. stosuje się wentylatory zwiększające prędkość przepływu powietrza. Rysunek przedstawia rozkład temperatury wywołany konwekcją (czerwień - wyższa temperatura, niebieski - niższa) uzyskany jako symulacja komputerowa. Gorące, lżejsze położone niżej warstwy tworzą pióropusze gorącej materii, podobnie chłodniejszy materiał z góry przenosi się w dół. W symulacji przyjęto parametry substancji takie jak konwekcji w płaszczu Ziemi.

Powstawanie komórek konwekcyjnych Prąd konwekcyjny 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. Przykłady ruchów konwekcyjnych: gorące gazy unoszące się do góry nad płomieniem śreżoga – rozedrgane powietrze tworzące wrażenie mgły w gorący i upalny dzień (np. nad rozgrzanym asfaltem) delikatny ruch wody podczas podgrzewania (widoczny w naczyniu jako ruszająca się delikatna "mgiełka"). Prądy konwekcyjne w atmosferze są przyczyną powstawania niektórych rodzajów chmur (gł. chmur kłębiastych: cumulus i cumulonimbus). Powstawanie komórek konwekcyjnych

Konwekcja ciepła 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. 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 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.