Jei ranką priartinsite prie įjungtos elektros lempos arba padėsite delną virš karštos viryklės, pajusite šilto oro srovių judėjimą. Tą patį efektą galima pastebėti, kai popieriaus lapas svyruoja virš atviros liepsnos. Abu efektai paaiškinami konvekcija.
Kas tai?
Konvekcijos reiškinys pagrįstas š altesnės medžiagos išsiplėtimu, besiliečiant su karštomis masėmis. Tokiomis aplinkybėmis kaitinama medžiaga praranda savo tankį ir tampa lengvesnė, palyginti su ją supančia š alta erdve. Tiksliausiai ši reiškinio charakteristika atitinka šilumos srautų judėjimą kaitinant vandenį.
Molekulių judėjimas priešingomis kryptimis veikiant kaitinimui yra būtent tai, kuo pagrįsta konvekcija. Spinduliuotė ir šilumos laidumas yra panašūs procesai, tačiau jie pirmiausia susiję su šiluminės energijos perdavimu kietose medžiagose.
Ryškūs konvekcijos pavyzdžiai – šilto oro judėjimas kambario su šildymu viduryjeprietaisus, kai po lubomis juda įkaitusios srovės, o š altas oras nusileidžia į patį grindų paviršių. Štai kodėl, kai šildymas įjungtas, oras kambario viršuje yra pastebimai šiltesnis, palyginti su kambario apačioje.
Archimedo dėsnis ir fizinių kūnų šiluminis plėtimasis
Norint suprasti, kas yra natūrali konvekcija, pakanka apsvarstyti procesą naudojant Archimedo dėsnio pavyzdį ir kūnų plėtimosi reiškinį veikiant šiluminei spinduliuotei. Taigi, pagal įstatymą, temperatūros padidėjimas būtinai padidina skysčio kiekį. Iš apačios šildomas skystis talpose pakyla aukščiau, o atitinkamai didesnio tankio drėgmė juda žemiau. Šildant iš viršaus savo vietose liks daugiau ir mažiau tankių skysčių, tokiu atveju reiškinys nepasireikš.
Sąvokos atsiradimas
Sąvoką „konvekcija“pirmą kartą pasiūlė anglų mokslininkas Williamas Proutas dar 1834 m. Jis buvo naudojamas apibūdinti šiluminių masių judėjimą įkaitusiuose, judčiuose skysčiuose.
Pirmieji teoriniai konvekcijos reiškinio tyrimai pradėti tik 1916 m. Eksperimentų metu buvo nustatyta, kad iš apačios šildomuose skysčiuose perėjimas nuo difuzijos į konvekciją įvyksta pasiekus tam tikras kritines temperatūros vertes. Vėliau ši reikšmė buvo apibrėžta kaip „Roel number“. Taip jis buvo pavadintas jį tyrinėjusio mokslininko vardu. Eksperimentų rezultatai leido paaiškinti šilumos srautų judėjimą veikiant Archimedo jėgoms.
Konvekcijos tipai
Yra keletas mūsų aprašomų reiškinių tipų – natūrali ir priverstinė konvekcija. Karšto ir š alto oro srautų judėjimo kambario viduryje pavyzdys yra geriausias būdas apibūdinti natūralios konvekcijos procesą. Kalbant apie priverstinį, tai galima pastebėti maišant skystį šaukštu, pompa ar maišytuvu.
Konvekcija neįmanoma, kai kaitinamos kietos medžiagos. Taip yra dėl gana stiprios abipusės traukos jų kietųjų dalelių vibracijos metu. Dėl kietos struktūros kūnų šildymo nevyksta konvekcija ir spinduliuotė. Šilumos laidumas pakeičia šiuos reiškinius tokiuose kūnuose ir prisideda prie šiluminės energijos perdavimo.
Vadinamoji kapiliarinė konvekcija yra atskiras tipas. Procesas vyksta, kai skysčiui judant vamzdžiais keičiasi temperatūra. Natūraliomis sąlygomis tokios konvekcijos reikšmė kartu su natūralia ir priverstine konvekcija yra itin nereikšminga. Tačiau kosmoso technikoje kapiliarinė konvekcija, spinduliuotė ir medžiagų šilumos laidumas tampa labai reikšmingais veiksniais. Net ir dėl silpniausių konvekcinių judesių nesvarumo sąlygomis sunku atlikti kai kurias technines užduotis.
Konvekcija žemės plutos sluoksniuose
Konvekcijos procesai yra neatsiejamai susiję su natūraliu dujinių medžiagų susidarymu žemės plutos storyje. Žemės rutulį galima laikyti sfera, susidedančia iš kelių koncentrinių sluoksnių. Pačiame centre yra masyvi karšta šerdis, kuri yra didelio tankio skysta masė, kurioje yra geležies,nikelis, taip pat kiti metalai.
Žemės šerdį supantys sluoksniai yra litosfera ir pusiau skysta mantija. Viršutinis Žemės rutulio sluoksnis yra tiesiogiai žemės pluta. Litosfera susidaro iš atskirų plokščių, kurios laisvai juda, juda išilgai skysčio mantijos paviršiaus. Netolygiai kaitinant įvairias mantijos dalis ir uolienas, kurios skiriasi savo sudėtimi ir tankiu, susidaro konvekciniai srautai. Būtent tokių srautų įtakoje įvyksta natūrali vandenyno dugno transformacija ir besilaikančių žemynų judėjimas.
Konvekcijos ir šilumos laidumo skirtumai
Šilumos laidumas turėtų būti suprantamas kaip fizinių kūnų gebėjimas perduoti šilumą judant atominiams ir molekuliniams junginiams. Metalai yra puikūs šilumos laidininkai, nes jų molekulės glaudžiai liečiasi viena su kita. Priešingai, dujinės ir lakiosios medžiagos veikia kaip prastai šilumos laidininkai.
Kaip vyksta konvekcija? Proceso fizika pagrįsta šilumos perdavimu dėl laisvo medžiagų molekulių masės judėjimo. Savo ruožtu šilumos laidumą sudaro tik energijos perdavimas tarp fizinio kūno dalelių. Tačiau abu procesai neįmanomi be medžiagos dalelių.
Reiškinio pavyzdžiai
Paprasčiausias ir suprantamiausias konvekcijos pavyzdys yra paprasto šaldytuvo procesas. Tiražasatvėsusios freono dujos per šaldymo kameros vamzdžius sumažina viršutinių oro sluoksnių temperatūrą. Atitinkamai, pakeičiami šiltesniais upeliais, š altieji nugrimzta žemyn, taip vėsindami produktus.
Artelės, esančios galiniame šaldytuvo skydelyje, atlieka elemento, kuris palengvina dujų suspaudimo metu įrenginio kompresoriuje susidarančio šilto oro pašalinimą, vaidmenį. Aušinimas tinkleliu taip pat pagrįstas konvekciniais mechanizmais. Būtent dėl šios priežasties nerekomenduojama užkrauti vietos už šaldytuvo. Juk tik tokiu atveju aušinimas gali vykti be sunkumų.
Kitų konvekcijos pavyzdžių galima pamatyti stebint tokį gamtos reiškinį kaip vėjo judėjimas. Šylant sausringuose žemynuose ir vėsstant atšiauresnėje vietovėje, oro srovės pradeda išstumti viena kitą, todėl jos juda, taip pat perkelia drėgmę ir energiją.
Galimybė sklandyti paukščiams ir sklandytuvams yra susieta su konvekcija. Mažiau tankios ir šiltesnės oro masės, netolygus kaitinimas šalia Žemės paviršiaus, lemia kylančių srovių susidarymą, o tai prisideda prie pakilimo proceso. Kad įveiktų didžiausius atstumus neeikvodami jėgų ir energijos, paukščiai turi sugebėti rasti tokius upelius.
Geri konvekcijos pavyzdžiai yra dūmų susidarymas kaminuose ir ugnikalnių krateriuose. Dūmų judėjimas aukštyn pagrįstas aukštesne temperatūra ir mažesniu tankiu, palyginti su aplinka. Dūmams vėstant jie palaipsniui nusėda į apatinius atmosferos sluoksnius. Būtent dėl šios priežastiespramoniniai vamzdžiai, per kuriuos į atmosferą patenka kenksmingos medžiagos, gaminami kuo aukščiau.
Dažniausi konvekcijos pavyzdžiai gamtoje ir technologijose
Tarp paprasčiausių, lengvai suprantamų pavyzdžių, kuriuos galima stebėti gamtoje, kasdieniame gyvenime ir technologijose, reikėtų pabrėžti:
- oro srautas veikiant buitiniams šildymo akumuliatoriams;
- debesų susidarymas ir judėjimas;
- vėjo, musonų ir vėjų judėjimo procesas;
- tektoninių žemės plokščių poslinkis;
- procesai, dėl kurių susidaro laisvos dujos.
Maisto gaminimas
Konvekcijos reiškinys vis dažniau suvokiamas šiuolaikiniuose buitiniuose prietaisuose, ypač orkaitėse. Dujinė spinta su konvekcija leidžia vienu metu ruošti skirtingus patiekalus skirtinguose lygiuose skirtingomis temperatūromis. Tai visiškai pašalina skonių ir kvapų maišymąsi.
Tradicinėje orkaitėje orą šildo vienas degiklis, todėl šiluma pasiskirsto netolygiai. Dėl kryptingo karšto oro srautų judėjimo specializuoto ventiliatoriaus pagalba patiekalai konvekcinėje orkaitėje pasirodo sultingesni ir geriau iškepa. Tokie prietaisai įkaista greičiau, todėl sutrumpėja laikas, reikalingas gaminimui.
Žinoma, namų šeimininkėms, kurios orkaitėje gamina tik kelis kartus per metus, buitinis prietaisas sukonvekcijos funkcijos negalima vadinti pirmos būtinybės technika. Tačiau tiems, kurie negali gyventi be kulinarinių eksperimentų, toks prietaisas virtuvėje taps tiesiog nepakeičiamas.
Tikimės, kad pateikta medžiaga jums buvo naudinga. Sėkmės!
