Ja pievelkat roku pie ieslēgtas elektriskās lampas vai novietojat plaukstu virs karstas plīts, varat sajust siltā gaisa plūsmu kustību. To pašu efektu var novērot, kad papīra loksne tiek svārstīta virs atklātas liesmas. Abi efekti ir izskaidrojami ar konvekciju.
Kas tas ir?
Konvekcijas fenomena pamatā ir aukstākas vielas izplešanās, saskaroties ar karstām masām. Šādos apstākļos uzkarsētā viela zaudē blīvumu un kļūst vieglāka salīdzinājumā ar to apkārtējo auksto telpu. Visprecīzāk šī parādības īpašība atbilst siltuma plūsmu kustībai, kad ūdens tiek uzkarsēts.
Molekulu kustība pretējos virzienos karsēšanas ietekmē ir tieši tas, uz ko balstās konvekcija. Radiācija un siltumvadītspēja ir līdzīgi procesi, taču tie galvenokārt attiecas uz siltumenerģijas pārnesi cietās vielās.
Spilgti konvekcijas piemēri - siltā gaisa kustība telpas vidū ar apkuriierīces, kad apsildāmas plūsmas pārvietojas zem griestiem, un auksts gaiss nolaižas līdz pašai grīdas virsmai. Tāpēc, kad ir ieslēgta apkure, gaiss telpas augšdaļā ir ievērojami siltāks, salīdzinot ar telpas apakšējo daļu.
Arhimēda likums un fizisko ķermeņu termiskā izplešanās
Lai saprastu, kas ir dabiskā konvekcija, pietiek aplūkot procesu, izmantojot Arhimēda likuma piemēru un ķermeņu izplešanās fenomenu termiskā starojuma ietekmē. Tātad, saskaņā ar likumu, temperatūras paaugstināšanās obligāti izraisa šķidruma tilpuma palielināšanos. No apakšas uzkarsētais šķidrums traukos paceļas augstāk, un attiecīgi augstāka blīvuma mitrums pārvietojas zemāk. Sildot no augšas, vairāk un mazāk blīvi šķidrumi paliks savās vietās, un tādā gadījumā parādība nenotiks.
Jēdziena rašanās
Terminu "konvekcija" pirmo reizi ierosināja angļu zinātnieks Viljams Prouts 1834. gadā. To izmantoja, lai aprakstītu termisko masu kustību sakarsētos, kustīgos šķidrumos.
Pirmie teorētiskie konvekcijas fenomena pētījumi sākās tikai 1916. gadā. Eksperimentu laikā tika konstatēts, ka pāreja no difūzijas uz konvekciju šķidrumos, kas tiek uzkarsēti no apakšas, notiek, kad tiek sasniegtas noteiktas kritiskās temperatūras vērtības. Vēlāk šī vērtība tika definēta kā "Roel numurs". Tā tika nosaukta pēc pētnieka, kurš to pētīja. Eksperimentu rezultāti ļāva izskaidrot siltuma plūsmu kustību Arhimēda spēku ietekmē.
Konvekcijas veidi
Ir vairāki mūsu aprakstītās parādības veidi – dabiskā un piespiedu konvekcija. Karstā un aukstā gaisa plūsmu kustības piemērs telpas vidū ir labākais veids, kā raksturot dabiskās konvekcijas procesu. Kas attiecas uz piespiedu, to var novērot, sajaucot šķidrumu ar karoti, sūkni vai maisītāju.
Konvekcija nav iespējama, ja tiek uzkarsētas cietas vielas. Tas ir saistīts ar diezgan spēcīgo savstarpējo pievilcību to cieto daļiņu vibrācijas laikā. Cietās struktūras ķermeņu sasilšanas rezultātā nerodas konvekcija un starojums. Siltumvadītspēja aizvieto šīs parādības šādos ķermeņos un veicina siltumenerģijas pārnesi.
Tā sauktā kapilārā konvekcija ir atsevišķs veids. Process notiek, kad temperatūra mainās šķidruma kustības laikā pa caurulēm. Dabiskos apstākļos šādas konvekcijas nozīme kopā ar dabisko un piespiedu konvekciju ir ārkārtīgi nenozīmīga. Tomēr kosmosa tehnoloģijā kapilārā konvekcija, starojums un materiālu siltumvadītspēja kļūst par ļoti nozīmīgiem faktoriem. Pat vājākās konvekcijas kustības bezsvara apstākļos apgrūtina dažu tehnisku uzdevumu izpildi.
Konvekcija zemes garozas slāņos
Konvekcijas procesi ir nesaraujami saistīti ar dabisko gāzveida vielu veidošanos zemes garozas biezumā. Globusu var uzskatīt par sfēru, kas sastāv no vairākiem koncentriskiem slāņiem. Pašā centrā ir masīvs karsts kodols, kas ir augsta blīvuma šķidra masa, kas satur dzelzi,niķelis, kā arī citi metāli.
Zemes kodolam apkārtējie slāņi ir litosfēra un pusšķidrais apvalks. Zemeslodes augšējais slānis ir tieši zemes garoza. Litosfēra veidojas no atsevišķām plāksnēm, kas atrodas brīvā kustībā, pārvietojoties pa šķidruma apvalka virsmu. Dažādu apvalka daļu un iežu, kas atšķiras pēc dažāda sastāva un blīvuma, nevienmērīgas karsēšanas gaitā veidojas konvekcijas plūsmas. Tieši šādu plūsmu ietekmē notiek okeāna dibena dabiskā transformācija un nesošo kontinentu kustība.
Atšķirības starp konvekciju un siltuma vadītspēju
Siltumvadītspēja jāsaprot kā fizisko ķermeņu spēja nodot siltumu, pārvietojoties atomu un molekulāro savienojumu kustībā. Metāli ir lieliski siltuma vadītāji, jo to molekulas ir ciešā saskarē viena ar otru. Gluži pretēji, gāzveida un gaistošas vielas darbojas kā slikti siltuma vadītāji.
Kā notiek konvekcija? Procesa fizikas pamatā ir siltuma pārnese vielu molekulu masas brīvas kustības dēļ. Savukārt siltumvadītspēja sastāv tikai no enerģijas pārneses starp fiziskā ķermeņa daļiņām. Tomēr abi procesi nav iespējami bez vielas daļiņu klātbūtnes.
Parādības piemēri
Vienkāršākais un saprotamākais konvekcijas piemērs ir parasta ledusskapja process. Apriteatdzesēta freona gāze caur dzesēšanas kameras caurulēm noved pie augšējo gaisa slāņu temperatūras pazemināšanās. Attiecīgi, aizstājot ar siltākām straumēm, aukstās nogrimst, tādējādi atdzesējot produktus.
Režģis, kas atrodas uz ledusskapja aizmugurējā paneļa, pilda elementa lomu, kas atvieglo siltā gaisa izvadīšanu, kas veidojas iekārtas kompresorā gāzes saspiešanas laikā. Režģa dzesēšanas pamatā ir arī konvekcijas mehānismi. Šī iemesla dēļ nav ieteicams pārblīvēt vietu aiz ledusskapja. Galu galā tikai šajā gadījumā dzesēšana var notikt bez grūtībām.
Citus konvekcijas piemērus var redzēt, novērojot tādu dabas parādību kā vēja kustība. Sasilstot virs sausiem kontinentiem un atdziestot skarbākā apvidū, gaisa straumes sāk izspiest viena otru, liekot tām kustēties, kā arī pārvietot mitrumu un enerģiju.
Putnu un planieru planēšanas iespēja ir saistīta ar konvekciju. Mazāk blīvas un siltākas gaisa masas ar nevienmērīgu karsēšanu Zemes virsmas tuvumā izraisa augšupejošu straumju veidošanos, kas veicina planēšanas procesu. Lai pārvarētu maksimālos attālumus bez spēka un enerģijas tērēšanas, putniem ir jāspēj atrast šādas straumes.
Labi konvekcijas piemēri ir dūmu veidošanās skursteņos un vulkāna krāteros. Dūmu kustība uz augšu ir balstīta uz to augstāku temperatūru un zemāku blīvumu salīdzinājumā ar apkārtējo vidi. Dūmiem atdziestot, tie pakāpeniski nosēžas zemākajos atmosfēras slāņos. Tieši šī iemesla dēļrūpnieciskās caurules, pa kurām atmosfērā izplūst kaitīgās vielas, tiek izgatavotas pēc iespējas augstāk.
Izplatītākie konvekcijas piemēri dabā un tehnoloģijā
No vienkāršākajiem, viegli uztveramajiem piemēriem, kas novērojami dabā, ikdienā un tehnoloģijās, jāizceļ:
- gaisa plūsma sadzīves apkures akumulatoru darbības laikā;
- mākoņu veidošanās un kustība;
- vēja, musonu un vēsu kustības process;
- tektonisko zemes plātņu nobīde;
- procesi, kas noved pie brīvas gāzes veidošanās.
Ēdienu gatavošana
Arvien biežāk konvekcijas fenomens tiek realizēts mūsdienu sadzīves tehnikā, jo īpaši krāsnīs. Gāzes skapis ar konvekciju ļauj vienlaicīgi gatavot dažādus ēdienus atsevišķos līmeņos dažādās temperatūrās. Tas pilnībā novērš garšu un smaržu sajaukšanos.
Tradicionālā cepeškrāsns paļaujas uz vienu degli, lai sildītu gaisu, tādējādi radot nevienmērīgu siltuma sadali. Pateicoties mērķtiecīgai karstā gaisa plūsmu kustībai ar specializēta ventilatora palīdzību, ēdieni konvekcijas krāsnī izrādās sulīgāki un labāk cepami. Šādas ierīces uzsilst ātrāk, kas samazina gatavošanai nepieciešamo laiku.
Protams, mājsaimniecēm, kuras cepeškrāsnī gatavo tikai dažas reizes gadā, sadzīves tehnika arkonvekcijas funkciju nevar saukt par pirmās nepieciešamības paņēmienu. Taču tiem, kas nevar iztikt bez kulinārijas eksperimentiem, šāda ierīce virtuvē kļūs vienkārši neaizstājama.
Mēs ceram, ka iesniegtais materiāls jums bija noderīgs. Lai veicas!
