Сообщение на тему конвекция в природе и технике

Обновлено: 01.06.2024

Увидеть это можно, если повесить над пламенем листик из бумаги, который станет двигаться от поднимающегося вверх теплого воздуха. В жидкости этот процесс происходит благодаря нагреванию нижних слоев, которые постепенно передают тепло к верхним. Так, к примеру, закипает вода. Интересно, что если пытаться нагреть воду сверху, то конвекции не произойдет, потому что физическое движение теплого вещества вниз, а холодного вверх просто невозможно. Вынужденной конвекцией называется усиленное перемешивание газа или жидкости с помощью мешалок или вентиляторов.

Обогреватели с разной конвекцией

Любой из обогревателей прогревает помещение по законам конвекции. Но одни из них создают вынужденное перемещение нагретых слоев воздуха, а другие работают на основе естественных движений тепла. К примеру, тепловентиляторы, нагревая воздух, еще и раздувают его по всему помещению. А вот масляные радиаторы или отопительные конвекторы действуют по естественным законам природы. Если говорить о масляных устройствах, то перемешивание теплого воздуха с холодным при их работе происходит быстрее, благодаря высокой температуре нагрева, но при этом воздух сильно сушится. А вот конвекторы электрические отзывы получают всегда самые положительные, ведь принцип естественного передвижения теплых масс позволил создать батарею, которая не вредит здоровью и безопасна в эксплуатации бесконечно долго. Воздух в комнате при этом не пересушивается, температура поддерживается все время, опасности ожогов нет совершенно.

Конвекционные печи

Применение конвекционного принципа в микроволновках, духовках и печах позволило ускорить и улучшить выпечку и приготовление разных блюд. Суть работы конвекционных печей состоит в том, что благодаря вмонтированному в заднюю стенку нагревательному элементу и вентилятору, при включении происходит принудительная циркуляция горячего воздуха. Под воздействием этой циркуляции внутреннее пространство разогревается намного быстрее и равномернее, а, значит, и воздействие на продукты будет одновременным со всех сторон. Выпечка в таких печах всегда будет идеальной. Именно поэтому конвекционные печи относят к профессиональной технике и используют их в хлебопекарнях, фаст-фудах, ресторанах и кафе и т.п. В современных кухонных духовках для домашнего быта тоже начали уже встраивать конвекционную систему, и это очень понравилось всем хозяйкам и любителям вкусно покушать.

Циркуляция воздуха в холодильниках

В холодильных устройствах также работает принцип конвекции, только в этом случае требуется заполнение внутренних отделений не теплым воздухом, а холодным. К примеру, наш холодильник Snaige без устали вырабатывает холод с помощью циркулирующего по трубам фреона, который охлаждает верхние слои в холодильной камере. Охлажденный воздух опускается вниз и вытесняет теплый вверх, где тот также охлаждается. Так вся камера заполняется холодом, что и нужно в холодильных устройствах. Чтобы циркуляция холодных потоков была эффективней, не нужно загружать внутреннее пространство холодильника до отказа, оставьте проемы для свободного движения.

Данная презентация содержит определение "конвекции", её виды и способы применения в жизни человека, а также несколько задач по данной теме, выводы и заключение.

Описание разработки

Если бы я захотел читать не зная букв, это было бы бессмыслицей. Точно так же, если бы я захотел судить о явлениях природы, не имея представления о началах вещей, это было бы такой же бессмыслицей…

Конвекция (от лат. convectio - доставка) – это вид теплообмена, при котором тепло переносится самими струями газа или жидкости.

Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел.

При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать сверх, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.
Так устанавливается круговорот жидкости, сопровождающийся переносом энергии от нагретых участков к более холодным. Совершенно аналогичным образом возникает конвекция в газах.

возникает в жидкостях и газах, невозможна в твердых телах и вакууме;
само вещество переносится;
нагревать вещества нужно снизу.

Для возникновения естественной конвекции требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным.

При вынужденной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна.

Конвекция в природе и технике

работа обычной батареи отопления;
тяга в печи;
отопление дома;
образование облаков;
образование ветра, бриза и муссонов;
движение тектонических плит;
процессы горообразования;
процесс дымообразования из труб и кратеров вулканов;

процесс охлаждения продуктов в холодильнике;

Пришёл купец к другому купцу в гости. Тот гостю обрадовался, и самовар растапливать стал. Наложил щепок в самоварную трубу, поджёг их сверху. Вода в самоваре закипела – пар из самовара повалил. Сели за стол чай пить. В чашки чайные наливают из самовара воду, а она холодная. Почему купцам не удалось чаю попить?

Почему алюминиевая кружка с чаем обжигает губы, а фарфоровая чашка с чаем нет?

Ветры бризы, возникающие на берегах морей. В каком направлении дуют они в летние дни днем и ночью и почему?
Где надо расположить лед: снизу или сверху, чтобы охладить продукты?

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.

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.

Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

Что представляет собой?

В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.

Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел

Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

Возникновение понятия

Виды конвекции

Существует несколько видов описываемого нами явления – естественная и вынужденная конвекция. Пример перемещения потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения как нельзя лучше характеризует процесс естественной конвекции. Что касается вынужденной, то ее можно наблюдать при перемешивании жидкости ложкой, насосом или мешалкой.

Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

Конвекция в слоях земной коры

Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще земной коры. Рассматривать земной шар можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

Окружающими слоями для земного ядра выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

Отличия конвекции от теплопроводности

Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.

Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

Примеры явления

Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха. Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты.

Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.

Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике

Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
образование и движение облаков;
процесс движения ветра, муссонов и бризов;
смещение тектонических земных плит;
процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

Приготовление пищи

Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.

Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.

Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!

Читайте также: