Подготовьте сообщение об использовании и учете конвекции в быту и технике используя

Обновлено: 02.07.2024

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.

Способы передачи тепла

Как известно, все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул. Молекулы находятся в постоянном хаотическом движении. Сильнее всего это движение в газах.

Движущиеся молекулы обладают кинетической энергией, и тепло — это сумма кинетических энергий всех молекул. Чем выше температура тела, тем интенсивнее движутся в нём молекулы.

Рис. 1. Способы передачи тепла.

Механизм конвекции

Конвекция основана на двух физических законах:

расширение при нагревании;
закон Архимеда.

Плотность нагретых областей газа меньше, и появляющаяся сила Архимеда вытесняет их вверх. Начинается конвективное движение.

Рис. 2. Механизм конвекции

Конвекция в природе и технике

Таким образом, конвекция — это метод теплопередачи, при котором области жидкости или газа перемешиваются, причём энергия для перемешивания обеспечивается запасами энергии теплового движения самих молекул.

Роль конвекции в природе трудно переоценить. Именно благодаря конвекции происходит движение воздушных масс. Примером конвекции в природе является воздух, поднимающийся над нагретой поверхностью земли. Без конвекции не было бы ни ветра, ни самой погоды. Воздух обладает весьма малой теплопроводностью, поэтому без конвекции приземные слои атмосферы имели бы температуру в несколько сотен градусов, но уже через несколько десятков метров эта температура снижалась бы до отрицательных значений.

Не было бы облаков, поскольку водяные пары бы также оставались в приземном слое, образуя там насыщенный водяной пар, который бы оставался около поверхности морей и океанов.

Рис. 3. Гравитационная система отопления.

Что мы узнали?

Конвекция — это перенос тепла путём перемешивания, которое происходит за счёт расширения газа или жидкости при нагревании и вытеснения нагретых областей вверх. Всё движение воздушных масс, все погодные явления зависят от конвекции. Конвекция в природе и технике присутствует практически везде, где есть нагрев воздуха или воды.

Способы передачи тепла

Рис. 1. Способы передачи тепла.

Механизм конвекции

Конвекция основана на двух физических законах:

расширение при нагревании;
закон Архимеда.

Конвекция в природе и технике

Рис. 3. Гравитационная система отопления.

Что мы узнали?

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.

Читайте также: