Что такое конвекция кратко

Обновлено: 03.07.2024

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.

Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Связанные понятия

Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.

Водяной пар — газообразное агрегатное состояние воды. Не имеет цвета, вкуса и запаха. Водяной пар — в чистом виде или в составе влажного газа, — находящийся в термодинамическом равновесии с поверхностью влажного вещества, называют равновесным водяным паром.

Упоминания в литературе

При нагревании вследствие контакта с внутренним стеклянным полотном воздушные массы устремляются вверх. Там их температура резко снижается, и они опус каются. Процесс повторяется вновь и вновь. Такая циркуляция воздуха обусловливает возникновение процесса конвекционной теплоотдачи. При этом его скорость напрямую зависит от разницы температур: чем она больше, тем интенсивнее будет протекать конвекция .

Во внешних слоях температура вещества падает (до пары миллионов градусов), и оно становится непрозрачным для излучения. При этом возрастает градиент температуры и начинается перенос энергии в этих слоях за счет конвекции . Конвективная зона занимает внешние 25–30 % звезды, и ее наличие приводит к появлению нескольких видов солнечной активности. Такие образования, как гранулы, солнечные пятна, факельные поля и некоторые другие, обязаны своим происхождением магнитогидродинамическим процессам в конвективной зоне.

Поглощение электромагнитной энергии живыми тканями сопровождается повышением их температуры, если поглощаемая мощность превосходит мощность рассеяния тепловой энергии. Последняя определяется теплоотдачей, которая осуществляется с поверхности тела посредством излучения, конвекции , теплопроводности и испарения влаги. Отведение тепловой энергии от глубоких тканей к поверхности тела обеспечивается кровообращением. Механизмы теплоотдачи функционируют в организме непрерывно, поскольку ему свойствен постоянный высокий уровень производства теплоты в ходе обмена веществ. Нарушение теплового гомеостаза в организме в результате облучения ЭМИ наступает в тех случаях, когда возникшая в результате этого дополнительная тепловая нагрузка, по меньшей мере, вдвое превышает уровень основного обмена [2].

– передачу теплоты за счет конвекции (перемещение нагревающегося у поверхности воздуха в верхние слои атмосферы, где он охлаждается, вновь опускаясь вниз);

Связанные понятия (продолжение)

Атмосфе́рное давле́ние — давление атмосферы, действующее на все находящиеся в ней предметы и на земную поверхность, равное модулю силы, действующей в атмосфере на единицу площади поверхности по нормали к ней. В покоящейся стационарной атмосфере давление равно отношению веса вышележащего столба воздуха к площади его поперечного сечения. Атмосферное давление является одним из термодинамических параметров состояния атмосферы, оно изменяется в зависимости от места и времени. Давление — величина скалярная.

Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), или через разделяющую перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к менее горячему, что является.

Циркуляция атмосферы — совокупность воздушных течений над земной поверхностью. Воздушные течения по своим масштабам изменяются от десятков и сотен метров (такие движения создают локальные ветра) до сотен и тысяч километров, приводя к формированию в тропосфере циклонов, антициклонов, муссонов и пассатов. В стратосфере происходят преимущественно зональные переносы (что обуславливает существование широтной зональности).

Адиабатический процесс является частным случаем политропного процесса, так как при нём теплоёмкость газа равна нулю и, следовательно, постоянна. Адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит достаточно медленно) и изменения энтропии не происходит. Равновесный адиабатный процесс является изоэнтропным процессом. Некоторые авторы (в частности, Л. Д. Ландау) называли адиабатическими только обратимые.

Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

Сила Кориоли́са в гидроаэромеханике — одна из сил инерции, действующая на упорядоченный или флуктуационный поток жидкости или газа во вращающейся неинерциальной системе отсчёта.

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение, возникающее за счёт внутренней энергии тела. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят от температуры тела. При остывании последний смещается в длинноволновую часть спектра.

Атмосфе́ра Земли (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка, окружающая планету Земля, одна из геосфер. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя переходит в околоземную часть космического пространства.

Полярная ячейка, или полярный вихрь, — элемент циркуляции земной атмосферы в приполярных районах Земли, имеет вид приповерхностного вихря, который закручивается на запад, выходя из полюсов; и высотного вихря, закручивающегося к востоку.

Испаре́ние — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости.

Инверсия в метеорологии означает аномальный характер изменения какого-либо параметра в атмосфере с увеличением высоты. Наиболее часто это относится к температурной инверсии, то есть к увеличению температуры с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения (см. атмосфера Земли). Важную роль в этом процессе играют и горно-долинные ветры.

Турбуле́нтность, устар. турбуле́нция (от лат. turbulentus — бурный, беспорядочный), турбуле́нтное тече́ние — явление, заключающееся в том, что, обычно, при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Для расчёта подобных течений были созданы различные модели турбулентности. Волны появляются случайно.

Общая циркуляция атмосферы (атмосферная циркуляция) — планетарная система воздушных течений над земной поверхностью (в тропосфере сюда относятся пассаты, муссоны и воздушные течения, связанные с циклонами и антициклонами). Создает в основном режим ветра. С переносом воздушных масс общей циркуляцией связан глобальный перенос тепла и влаги. Существование циркуляции атмосферы обусловлено неоднородным распределением атмосферного давления, вызванным влиянием неодинакового нагревания земной поверхности.

Ядро́ Земли́ — центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2900 км. Средний радиус сферы — 3500 км. Разделяется на твердое внутреннее ядро радиусом около 1300 км и жидкое внешнее ядро толщиной около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Температура на поверхности твёрдого ядра Земли предположительно достигает.

Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.

Бар (русское обозначение: бар; международное: bar; от греч. βάρος — тяжесть) — внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере. Один бар равен 105 Па или 106 дин/см² (в системе СГС).

Диссипа́ция атмосфер планет (Планетарный ветер) — потеря газов атмосферой планет вследствие их рассеяния в космическом пространстве. Основным механизмом потери атмосферы является термальный — тепловое движение молекул, из-за которого молекулы газов, находящиеся в сильно разреженных внешних слоях атмосферы, приобретают скорость, превышающую критическую скорость ускользания, и поэтому могут уйти за пределы поля тяготения планеты. Устойчивой считается атмосфера, средняя скорость молекул которой не превышает.

Гидростатическое равновесие (англ. Hydrostatic equilibrium, hydrostatic balance) — понятие, используемое в физике для описания равновесия гравитационных сил и направленных в противоположную сторону сил давления среды, обусловленных возникающим в направлении действия гравитации градиентом давления.

Бари́ческий градие́нт — вектор, характеризующий степень изменения атмосферного давления в пространстве. По числовой величине барический градиент равен изменению давления (в миллибарах) на единицу расстояния в том направлении, в котором давление убывает наиболее быстро, то есть по нормали к изобарической поверхности в сторону уменьшения давления.

Атмосфе́рный фронт (от. др.-греч. ατμός — пар, σφαῖρα — шар и лат. frontis — лоб, передняя сторона), фронты тропосферные — переходная зона в тропосфере между смежными воздушными массами с разными физическими свойствами.

Межпланетная среда — вещество и поля, заполняющие пространство внутри Солнечной системы (звёздной системы) от солнечной короны (короны звезды) до границ гелиосферы за исключением планет и тел Солнечной системы. Межпланетная среда в основном включает солнечный ветер (ветер центральной звезды в звёздной системе (starwind)), межпланетное магнитное поле, космические лучи (заряженные частицы высокой энергии), нейтральный газ, межпланетную пыль и электромагнитное излучение. Межпланетная среда играет ключевую.

Гидромагнитное (или магнитогидродинамическое, или просто МГД-) динамо (динамо-эффект) — эффект самогенерации магнитного поля при определённом движении проводящей жидкости.

Неустойчивость Рэлея — Тейлора (названа в честь лорда Рэлея и Дж. И. Тейлора) — самопроизвольное нарастание возмущений давления, плотности и скорости в газообразных и жидких средах с неоднородной плотностью, находящихся в гравитационном поле (Рэлей, 1900 г.) либо движущихся с ускорением (Тейлор, 1950 г.).

Межзвёздная среда (МЗС) — вещество и поля, заполняющие межзвёздное пространство внутри галактик. Состав: межзвёздный газ, пыль (1 % от массы газа), межзвёздные электромагнитные поля, космические лучи, а также гипотетическая тёмная материя. Химический состав межзвёздной среды — продукт первичного нуклеосинтеза и ядерного синтеза в звёздах. На протяжении своей жизни звёзды испускают звёздный ветер, который возвращает в среду элементы из атмосферы звезды. А в конце жизни звезды с неё сбрасывается оболочка.

Атмосфе́рные явле́ния — видимое проявление сложных физико-химических процессов, происходящих в воздушной оболочке Земли — атмосфере.

Зона лучистого переноса — средняя зона Солнца. Располагается непосредственно над солнечным ядром, на расстояниях примерно от 0,2—0,25 до 0,7 радиуса Солнца от его центра. Выше зоны лучистого переноса находится конвективная зона.

Внешнее ядро Земли — жидкий слой толщиной около 2266 километров. Он состоит из железа и никеля. Ядро расположено выше твёрдого внутреннего ядра Земли и ниже её мантии. Его внешняя граница — 2890 км (1800 миль) под поверхностью Земли. Переход от внутреннего ядра ко внешнему находится на глубине около 5150 км под поверхностью Земли.

Зона конвекции — область звезды (и в частности Солнца), в которой перенос энергии из внутренних районов во внешние происходит главным образом путём активного перемешивания вещества — конвекции.

Нагрев — искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне. Для подведения энергии извне используется специальное устройство — нагреватель (нагревательный элемент), того или иного вида и конструкции.

Внутренняя энергия термодинамической системы может изменяться двумя способами: посредством совершения работы над системой и посредством теплообмена с окружающей средой. Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой. Теплота — это одна из основных термодинамических величин в классической феноменологической термодинамике. Количество теплоты входит в стандартные математические формулировки первого и второго.

Жи́дкий ге́лий — жидкое агрегатное состояние гелия. Представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при температуре 4,2 К (для изотопа 4He при нормальном атмосферном давлении). Плотность жидкого гелия при температуре 4,2 К составляет 0,13 г/см³. Обладает малым показателем преломления, из-за чего его трудно увидеть.

Со́лнечный ве́тер — поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.

Упоминания в литературе (продолжение)

Преимущества такой системы в том, что излучение тепла начинается не в 20–40 см от пола, как при использовании традиционных настенных радиаторов или панелей, а нагревается сам пол. Благодаря этому в помещении создается наиболее комфортный баланс температур с плавным уменьшением по высоте. Физиологически эта схема более предпочтительна, чем привычное расположение батарей под окнами, при котором ледяной пол в сочетании с теплым воздухом, поднимающимся от батарей, создают большую разницу температур и провоцируют чрезмерную конвекцию (сквозняки).

Важной особенностью Венеры является отсутствие магнитного поля. Для генерации магнитного поля планетой нужны три условия: электропроводящая жидкость внутри планеты, конвективные движения в ней и вращение планеты. В планетах земной группы электропроводящей жидкостью является железное ядро, которое у Венеры явно есть и сопоставимо по размерам с ядром Земли. Вращение Венеры медленное, но его достаточно для генерации слабого магнитного поля на уровне современного Марса (1 % от земного). Следовательно, в ядре Венеры отсутствует конвекция . Так как радиоактивный распад неизбежно выделяет тепло в ядре и мантии, без конвекции их температура должна расти. По-видимому, рост температуры продолжается до тех пор, пока кора Венеры не проплавляется сразу во многих местах, вызывая одновременное извержение тысяч вулканов. Эти извержения быстро охлаждают верхнюю мантию, и вскоре планета опять надолго замирает.

Физический термин конвекция означает непосредственный и естественный перенос тепла при контакте двух сред с разной температурой.

возможно устройство дополнительной конвекционной камеры. В стадии прогрева печи через такую камеру посредством конвекции в помещение сразу поступает нагретый воздух. Когда печь протоплена, решетки для конвекции закрываются, и печь отдает тепло только через излучение. Современные теплонакопительные печи выполняются из тонкостенных искусственных материалов с высокими теплотехническими характеристиками. Вес таких конструкций значительно меньше, чем вес традиционных конструкций из полнотелого кирпича.

• конвекцией , вызванной разностью давлений между внутренним объемом здания и внешней атмосферой, различными частями здания.

Практически вся масса хлеба и хлебобулочных изделий, производимых хлебопекарной промышленностью, выпекается РКспособом. Для этого обычно применяют печи, в которых тепло выпекаемому тесту-хлебу передается, в основном, термоизлучением и конвекцией (при температуре теплоотдающих поверхностей от 300оС до 400оС и среды пекарной камеры от 200оС до 250оС).

Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.

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: