Свободная конвекция это кратко

Обновлено: 04.07.2024

Конвекция — это физическое явление, которое состоит в переносе теплоты в жидкой, газовой или сыпучей среде потоками вещества.

В твердых телах и вакууме конвекционных потоков не существует.

Впервые это явление открыл и описал англо-американский физик Бенджамин Томпсон в конце XVIII века. Этот ученый считается одним из основоположников термофизики.

Термофизика — раздел физики, в котором детально изучаются тепловые явления, их особенности, свойства и механизмы.

Конвекция является одним из видов теплопередачи. При этом ее следует отличать от теплопроводности.

При теплопроводности происходит передача энергии, но не вещества. При конвекции теплопередача осуществляется за счет переноса потоков вещества.

Металлы обладают хорошей теплопроводностью, а газы — нет, поскольку в них молекулы находятся далеко друг от друга. В газах теплопередача осуществляется за счет перемещения больших групп молекул — конвекционных потоков.

Интенсивность конвекции зависит от:

разницы температур;
теплопроводности;
вязкости среды.

Существуют разные виды конвекции.

По способу возникновения:

Естественная (свободная) — возникает самопроизвольно в результате неравномерного прогревания в зоне тяготения.
Вынужденная — вызывается внешними поверхностными силами: насосом, компрессором, вентилятором и другими приспособлениями.

Примерами естественной конвекции в природе являются:

движение тектонических плит;
ветер и облака;
теплые и холодные течения воды в океанах.

Твердая оболочка Земли состоит из отдельных тектонических плит, которые перемещаются по поверхности жидкой мантии. Разные участки мантии и горных пород прогреваются неравномерно. Это приводит к возникновению естественных конвекционных потоков. Под их воздействием преобразуется ложе океанов и перемещаются плиты.

Ветер возникает в результате перемещения воздушных масс из области высокого давления в зону с более низким давлением. Когда воздушные массы нагреваются у земной поверхности, то возникают конвекционные потоки. Они двигаются вверх и происходит перемешивание воздуха.

Благодаря явлению конвекции птицы парят в воздухе. По этому же принципу работают планеры и дельтапланы.

На возникновение течений в океане влияет много факторов, в том числе:

ветер;
свойства воды (соленость, плотность);
перепады температуры.

При разнице в температуре между определенными участками воды образуются конвекционные потоки. Нагретые слои жидкости являются менее плотными и вытесняются холодными, более тяжелыми слоями.

Все описанные случаи относятся к термогравитационной конвекции.

Термогравитационная конвекция — конвекция, возникающая из-за разности температур в гравитационном поле под воздействием силы Архимеда.

Сила Архимеда, действующая на холодный газ или жидкость снизу вверх, больше силы тяжести, действующей на теплый газ или жидкость. Это приводит к выталкиванию теплых потоков вверх и опусканию холодных.

Помимо обычной термогравитационной существуют другие виды конвекции:

Гранулярная — возникает в сыпучих неоднородных средах. Ее суть заключается в том, что более мелкий материал проникает в пустоты, а сверху всегда оказываются более крупные частицы вещества.
Термокапиллярная — образуется под воздействием силы поверхностного натяжения.
Термомагнитная — возникает в магнитных жидкостях под воздействием магнитного и гравитационного поля.

По типу движения выделяют два вида конвекции:

Ламинарная — когда жидкость или газ перемещаются слоями, без пульсаций и перемешивания.
Турбулентная — когда происходит сильное перемешивание движущихся потоков.

Звездная конвекция носит в основном турбулентный характер.

Конвекционные процессы наблюдаются и в физиологии человека:

поступление воздуха в воздухоносные пути;
конвекционный перенос газов кровью;
один из способов теплоотдачи.

Принцип действия конвекционных моделей

Принцип конвекции широко используется человеком в современных бытовых приборах. Как правило, в них сочетается естественная и вынужденная конвекция.

Техника с режимом конвекции для приготовления пищи основана на переносе тепла воздушными потоками внутри прибора.

В любой включенной духовке происходит движение воздуха. Горячие массы поднимаются вверх, холодные — опускаются вниз. При этом воздух прогревается неравномерно, что приводит к сложностям в приготовлении пищи.

В конвекционных духовках эта проблема решается за счет встроенного вентилятора, который обеспечивает принудительную циркуляцию воздушных потоков. Благодаря этому обеспечивается равномерный температурный режим и облегчается процесс приготовления пищи.

В некоторых бытовых приборах используется влажная конвекция. Для этого в специальный отсек заливают воду. Она испаряется и смешивается с горячим воздухом. Таким образом продукты обрабатываются с помощью пара. Это позволяет не пересушивать продукты и делать пищу более полезной.

Применение свойств конвекции в быту

Свойства конвекции встречаются в повседневной жизни повсеместно.

Естественная конвекция наблюдается в следующих предметах быта:

холодильник;
чайник;
термос;
духовые и электроплиты;
кастрюля с кипящей водой.

Понаблюдать за конвекционными потоками можно с помощью простого опыта.

Опыт по изучению конвекции в квартире:

Включить в одной из комнат обогреватель и закрыть двери.
Через несколько часов, когда воздух достаточно прогреется, приступить к наблюдению. Для этого нужно взять свечу и поместить вниз проема открытой двери.
Мы увидим по направлению огня в свечке, как потоки холодного воздуха перемещаются в более нагретую комнату. Это и будет естественный конвекционный поток.

Проводить такие опыты нужно очень осторожно, в присутствии взрослых.

В классе вместе с учителем можно провести следующий опыт.

Опыт по наблюдению за конвекцией в жидкостях:

Замкнутую стеклянную трубку с двумя коленами прикрепить к штативу.
В один из концов добавить несколько кристалликов марганцовки.
Начать нагревать трубку с помощью спиртовки или свечи.

Благодаря яркой окраске перманганата калия конвективные потоки будут отчетливо видны.

С конвекцией также связан процесс образования дыма в печных трубах. Дым обладает более высокой температурой и низкой плотностью, чем окружающий воздух, поэтому он поднимается вверх. При остывании он может опускаться вниз, поэтому печные трубы стараются делать как можно выше.

Вынужденная конвекция используется в разных видах бытовых приборов, обладающих встроенной конвекционной функцией:

духовые шкафы;
электрические печи;
микроволновки;
обогреватели;
радиаторы.

Функцию конвекции производители стараются не использовать в газовых плитах, поскольку искусственно создаваемые потоки воздуха могут задуть газовую горелку. Это, в свою очередь, может привести к скоплению газа и последующему взрыву.

Устройства с функцией конвекции

Кухонные приборы с функцией конвекции имеют ряд преимуществ:

Однородность приготовленных блюд. Равномерное распределение температуры способствует тому, что пища запекается во всех местах, в ней нет сырых и пережаренных кусочков.
Образование румяной корочки. Циркулирующий горячий воздух быстрее запечатывает продукт, что позволяет продукту внутри оставаться сочным, а сверху покрываться аппетитной корочкой. Приготовленные блюда будут лучше выглядеть и приобретут более насыщенный вкус.
Экономия времени и энергии. Блюда в конвекционных духовках и печах готовятся быстрее, поскольку для их прогревания и поддержания рабочей температуры требуется меньше времени.

Единственный минус конвекционных приборов для приготовления пищи — это их высокая стоимость по сравнению с обычными.

Отопительные конвекционные приборы стараются размещать ближе к полу. Нагретый от них воздух поднимается вверх и смешивается с холодными воздушными потоками, поступающими от окон и дверей. В результате циркуляции воздушных потоков в комнате устанавливается примерно одинаковая температура.

В общем обмене тепла в помещении наряду с излучением существенную роль играет конвекция. Воздух обменивается теплом с охлажденными и нагретыми поверхностями ограждений и приборов систем отопления и охлаждения. В практических расчетах для определения количества тепла (Вт), передаваемого при конвективном теплообмене между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела, пользуются формулой

где F – поверхность твердого тела, м 2 ;

t_в – температура жидкости или газа, град;

t_н – температура поверхности, град;

α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м 2 ּ о С).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к показывает количество тепла (Вт), которое передается от жидкости или газа к 1 м 2 поверхности твердого тела при разности температур в 1 о С между жидкостью или газом и поверхностью.

На вид кажущаяся простой, формула (8) не решает задачи, а только переносит ее на выбор значений α_к. Для определения величины α_к для различных случаев конвективного теплообмена существуют ряд эмпирических формул в критериальной форме.

Около нагретых и охлажденных свободно расположенных поверхностей возникают конвективные потоки, определяющие интенсивность теплообмена между поверхностями и воздухом. Этот процесс называется свободной конвекцией. Если поверхность нагрета, то воздух около нее нагревается и поднимается вверх, вытесняемый снизу более холодным. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается снизу в направлении движения. В начальной зоне движения пограничный слой является ламинарным. На некотором расстоянии от нижней границы нагретой поверхности, когда толщина пограничного слоя достигает определенной величины, режим движения становится турбулентным (рис. 3). Аналогичная картина наблюдается около охлажденной поверхности, у которой поток свободной конвекции направлен вниз. В пределах толщины пограничного слоя изменяется температура и скорость воздуха: изменение температуры происходит в пределах теплового пограничного слоя толщиной δ_t, затухание скорости – в пределах гидродинамического пограничного слоя толщиной δ. В общем случае толщина этих слоев не одинакова.

При ламинарном режиме критериальное уравнение, определяющее интенсивность теплообмена в произвольном сечении х при Рr = 0,709, имеет вид

Рисунок 3 – Пограничные слои при свободной конвекции

Локальное значение критерия Нуссельта Nu_x, отнесенное к произвольному сечению х, составит

где α_кх – локальный коэффициент теплоотдачи;

λ – коэффициент теплопроводности воздуха.

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена в пределах всей области ламинарного режима теплообмена от 0 до l_кр

Критериальное уравнение теплообмена в области турбулентного режима запишется следующим образом:

Уравнение для α_кх при температуре 20 о С имеет вид

Из формулы (9) видно, α_кх не зависит от геометрического параметра х и остается неизменным для всей области турбулентного режима.

Средние значения коэффициента конвективного теплообмена на вертикальных поверхностях ограждений в помещении без особой погрешности можно определить по формуле (9), так как перепадам температур и геометрическим размерам нагретых и охлажденных поверхностей, имеющих место в действительности, обычно соответствует турбулентный режим. При горизонтальном расположении нагретой или охлажденной поверхности для расчета средней интенсивности конвективного теплообмена можно тоже пользоваться формулой (9), но при этом значение коэффициента А в ней должно быть изменено так, как показано в таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициента А при различных положениях поверхностей

Положение поверхности	Значение коэффициента А
Вертикальное	1,43
Горизонтальная поверхность, обращенная вверх:
нагретая	1,86
охлажденная	1,00
Горизонтальная, обращенная вниз:
нагретая	1,00
охлажденная	1,86

где F – поверхность твердого тела, м 2 ;

t_в – температура жидкости или газа, град;

t_н – температура поверхности, град;

α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м 2 ּ о С).

Рисунок 3 – Пограничные слои при свободной конвекции

Локальное значение критерия Нуссельта Nu_x, отнесенное к произвольному сечению х, составит

где α_кх – локальный коэффициент теплоотдачи;

λ – коэффициент теплопроводности воздуха.

Критериальное уравнение теплообмена в области турбулентного режима запишется следующим образом:

Уравнение для α_кх при температуре 20 о С имеет вид

Таблица 1 – Значения коэффициента А при различных положениях поверхностей

Положение поверхности	Значение коэффициента А
Вертикальное	1,43
Горизонтальная поверхность, обращенная вверх:
нагретая	1,86
охлажденная	1,00
Горизонтальная, обращенная вниз:
нагретая	1,00
охлажденная	1,86

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. В прошлом уроке вы познакомились с теплопроводностью. При этом явлении внутренняя энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому. Это тесно связано со структурой рассматриваемого вещества и тепловым движением частиц в нем.

Когда мы будем говорить о конвекции, речь будет идти не о движении отдельных частиц, а о движении групп частиц. В данном уроке мы выясним определяющую разницу явления конвекции от теплопроводности и дадим ему определение. Далее рассмотрим конвекцию в жидкостях и газах, узнаем это явление в бытовых примерах и природе.

Определение конвекции

Возьмем пробирку и наполним ее водой. Начнем нагревать верхнюю часть пробирки пламенем спиртовки (рисунок 1, а).

Вода на поверхности пробирки закипит, тогда как у ее дна она останется просто теплой. Этот пример определяется теплопроводностью воды. Она у жидкостей невелика.

А теперь проделаем такой же опыт, но с небольшим изменением. Переместим пламя спиртовки в нижнюю часть пробирки (рисунок 1, б).

На этот раз вода в пробирке по всему объему достаточно быстро нагреется и закипит. Значит, здесь перенос энергии осуществляется не за счет теплопроводности жидкости, а на основании другого явления — конвекции.

Конвекция (от лат. конвекцио — перенесение) — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.

Конвекция в жидкостях

Рассмотрим физику данного явления. Будем использовать самый банальный пример — что будет происходить с водой, которую мы нагреваем в кастрюле на плите (рисунок 2) .

Когда мы нагреваем жидкость снизу, в первую очередь нагревается самый нижний слой воды. Он становится теплее остальной жидкости. При нагревании вода расширяется и ее плотность уменьшается. Такой слой воды становится более легким. В итоге, нагретые слои вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями.

Холодные слои, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла. Далее они тоже вытесняются менее нагретой водой.

Благодаря такому постоянному движению, вода равномерно нагревается.

Такое движение слоев объясняется действием архимедовой силы. При увеличении объема нагретого слоя, увеличивается действующая на него архимедова сила. Она становится больше силы тяжести, действующей на данный слой. Он поднимается наверх.

Наглядно это можно пронаблюдать на опыте, изображенном на рисунке 3.

Рисунок 3. Наглядное движение окрашенных слоев жидкости.

Здесь в жидкость добавляют марганцовку и начинают ее нагревать. Нагретая в пламени свечи вода начинает расширяться и поднимается наверх. Так как вода окрашена неравномерно, легко пронаблюдать циркуляцию.

Если мы поместим руку над горячей плитой, то почувствуем, как над ней поднимаются теплые струи воздуха. Это происходит конвекция в воздухе.

Пронаблюдаем это явление на опыте (рисунок 4). У нас есть вертушка и свечи, расположенные под ней.

После того как мы зажжем все свечи, мы увидим, что вертушка начала вращаться. Что же здесь происходит?

Воздух, соприкасающийся с пламенем свечей, нагревается, расширяется и становится менее плотным. На него со стороны холодного воздуха действует сила Архимеда снизу вверх. Эта сила становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух. В итоге, теплый воздух начинает подниматься вверх, а его место занимает холодный воздух.

Если мы будем постепенно тушить свечи, то увидим, что скорость вращения вертушки начинает снижаться. Это связано с уменьшением объема циркулирующего воздуха.

Свойства и виды конвекции

Мы выясняли (рисунок 1, а), что если подогревать жидкость не снизу, то конвекция не будет происходить. То же самое справедливо и для конвекции в газах. Нагретые слои не смогут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Значит,

для осуществления конвекции в жидкостях и газах необходимо нагревать их снизу.

Может ли происходить конвекция в твердых тела? В твердых телах частицы совершают колебания около определенных положений. Их удерживает сильное взаимное притяжение. В такой ситуации невозможно образование потоков вещества, как в жидкостях или газах. Следовательно,

конвекция не может происходить в твердых телах.

Конвекция бывает двух видов (рисунок 5):

Примерами естественной конвекции являются все примеры, которые мы рассмотрели выше.

Вынужденная конвекция наблюдается, например, если мы используем вентилятор или перемешиваем жидкость ложкой.

Конвекция в быту и природе

Явление конвекции легко просматривается в наших квартирах. Когда в холодное время работает отопление, в комнатах постоянно происходит ощутимая циркуляция воздуха (рисунок 6).

Рисунок 6. Конвекция воздуха в комнате, обогреваемой батареей.

Отметьте для себя тот факт, что в явлении конвекции кроется причина того, что отопительные батареи размещают в нижней части стен, ближе к полу.

Иногда в одной комнате бывает теплее, чем в соседней. Например, стоит дополнительная батарея или работает печка в кухне. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха (рисунок 7).

Холодный воздух будет иметь большую плотность и находится внизу. Если мы подставим пламя зажигалки внизу дверного проема, то увидим, что холодный воздух двигается в более теплую комнату. Если же поместим горящую зажигалку в верхнюю часть проема, то пламя отклонится в другую сторону. Так теплый воздух движется в холодную комнату.

Яркий пример конвекции в природе — это ветер. Наша атмосфера по всей Земле прогревается неодинаково. Из-за разного нагрева воздуха в жарких тропиках и полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха — образуются ветра.

Пассаты — ветра, дующие от субтропических областей с экватору — частично образуются из-за неравномерного нагревания земной поверхности. Из-за вращения Земли, потоки воздуха отклоняются от меридиана (рисунок 8). Поэтому в Северном полушарии пассаты движутся в северо-восточном направлении, а в Южном — в юго-восточном направлении.

Ветра способствуют образования течений. Верхние слои воды (поверхностное течение) движутся в направлении постоянно дующего ветра (рисунок 9). Так, теплые и холодные течения — пример вынужденной конвекции.

Ветер на берегах морей — бриз — также образуется за счет конвекции (рисунок 10).

В теплое время года суша днем прогревается сильнее, чем море. Нагретые слои воздуха поднимаются вверх. Их давление становится меньше давления более холодного воздуха. Так, днем воздух дует с моря (дневной бриз), потому что прохладный воздух замещает собой теплый. Ночью все происходит наоборот — вода в море остывает медленнее, чем поверхность суши. Ветер дует с суши на море — образуется ночной бриз.

На уроке мы поговорим о таком виде теплопередачи, как конвекция. Сначала приведем пример опыта, подтверждающего принципиальное отличие этого вида теплопередачи от теплопроводности, изученной на предыдущем уроке. Потом особое внимание уделим опытам, демонстрирующим явление конвекции в газах, а затем в жидкостях и подробно опишем наблюдаемые явления. В конце урока упомянем виды конвекции: свободную и вынужденную.

Читайте также: