Convecția căldurii

Convecția este transferul de căldură datorat mișcării în masă a moleculelor în fluide, cum ar fi gazele și lichidele, inclusiv roca topită. Convecția are loc prin advecție, difuzie sau ambele.

(Imaginea termică a unui fierbător Ghillie aprins, de notat aerul fierbinte rezultat din curentul de convecție.)

Convecția nu poate avea loc în cele mai multe substanțe solide, deoarece nu poate circula nici un curent în masă, nicio difuzie semnificativă a materiei. Difuzarea căldurii are loc în solide rigide, dar se numește conductivitate termică. Convecția poate totuși să aibă loc în solide moi sau în amestecuri în care particulele solide se pot deplasa una peste cealaltă.

Convecția termică poate fi demonstrată prin plasarea unei surse de căldură (de exemplu, un arzător Bunsen) pe o parte a unui pahar plin cu un lichid și observarea modificărilor de temperatură în sticlă cauzate de fluidul mai cald ce circulă în zonele mai reci.

Transferul termic convectiv este unul dintre principalele tipuri de transfer de căldură, iar convecția este, de asemenea, un mod major de transfer de masă în fluide. Convectivitatea căldurii și transferul de masă au loc atât prin difuzie – mișcarea aleatorie browniană a particulelor individuale în fluid – cât și prin advecție, în care materia sau căldura sunt transportate prin mișcarea la scară largă a curenților în fluid. În contextul transferului de căldură și masă, termenul „convecție” este folosit pentru a se referi la suma transferului advectiv și difuziv. Uneori termenul „convecție” este folosit pentru a se referi în mod specific la „convecția termică liberă” (convecție naturală a căldurii) care se datorează diferențelor induse de temperatură în flotabilitate, spre deosebire de „convecția forțată de căldură”, unde alte forțe decât flotabilitatea (precum pomparea sau ventilația) mișcă lichidul. Cu toate acestea, în mecanică, utilizarea corectă a cuvântului „convecție” este sensul general, iar diferite tipuri de convecție ar trebui să fie detaliate explicativ pentru claritate.

Convecția poate fi calificată ca fiind naturală, forțată, gravitațională, granulară sau termomagnetică. De asemenea, se poate spune că se datorează arderii, acțiunii capilarelor sau efectelor Marangoni și Weissenberg. Transferul de căldură prin convecție naturală joacă un rol în structura atmosferei Pământului, a oceanelor și a mantalei. Celulele convective discrete din atmosferă pot fi văzute ca nori, cu o convecție mai puternică care duce la furtuni. Convecția naturală joacă, de asemenea, un rol în fizica stelară.

(Această figură prezintă un calcul al convecției termice în mantaua Pământului, culorile mai aproape de roșu sunt zonele fierbinți și culorile mai aproape de albastru sunt zonele reci. Un la limita inferioară, fierbinte și mai puțin dens, trimite granule de material fierbinte în sus, și astfel materia rece din partea de sus se mișcă în jos.)

Exemple și aplicații ale convecției

Convecția are loc pe scară largă în atmosferă, oceane, manta planetară, și oferă mecanismul de transfer de căldură pentru o mare parte din interiorul de subsuprafață al soarelui nostru și al tuturor stelelor. Mișcarea fluidului în timpul convecției poate fi invizibil de lentă sau poate fi evidentă și rapidă, ca într-un uragan. Pe scări astronomice, se presupune că se formează convecția de gaz și praf în discurile de acumulare ale găurilor negre, la viteze care se pot apropia de a luminii.

Transfer de căldură

(Un radiator oferă o suprafață mare pentru convecție pentru a îndepărta eficient căldura.)

Transferul convectiv de căldură este un mecanismcare se produce datorită mișcării în masă (deplasarea observabilă) a fluidelor. Căldura este entitatea de interes advectată (transportată) și difuzată (dispersată). Acest lucru poate fi în contrast cu transferul de căldură conductiv, care este transferul de energie prin vibrații la nivel molecular printr-un lichid solid sau fluid și transferul de căldură radiant, transferul de energie prin unde electromagnetice.

Căldura este transferată prin convecție în numeroase exemple de flux natural de lichid, cum ar fi: vânt, curenți oceanici și mișcări în mantaua Pământului. Convecția este utilizată și în practicile inginerești ale locuințelor, proceselor industriale, răcirii echipamentelor etc.

Viteza transferului termic convectiv poate fi îmbunătățită prin utilizarea unui radiator, adesea în combinație cu un ventilator. De exemplu, un CPU tipic pentru calculator va avea un ventilator special creat pentru a se asigura că temperatura de funcționare este menținută în limite acceptabile.

Circulația atmosferică

(Prezentarea idealizată a circulației atmosferice globale pe Pământ)

Circulația atmosferică este mișcarea pe scară largă a aerului și reprezintă un mijloc prin care energia termică este distribuită pe suprafața Pământului, împreună cu sistemul de circulație a oceanelor mult mai lent (întârziat). Structura pe scară largă a circulației atmosferice variază de la an la an, dar structura climatologică de bază rămâne destul de constantă.

Circulația latitudinală apare deoarece radiația solară incidentă pe unitatea de suprafață este cea mai ridicată la ecuatorul de căldură, și scade pe măsură ce latitudinea crește, atingând minimul la poli. Se compune din două celule primare de convecție, celula Hadley și vortexul polar, cu celula Hadley având o convecție mai puternică datorată eliberării energiei termice latente prin condensarea vaporilor de apă la altitudini mai mari în timpul formării norilor.

Circuitul longitudinal, pe de altă parte, se datorează faptului că oceanul are o capacitate de căldură specifică mai mare decât pământul (și, de asemenea, conductivitatea termică, permițând căldurii să pătrundă mai profund sub suprafață), absorbând astfel și eliberând mai multă căldură, dar schimbând temperatură mai puțin decât pământul. Acest lucru determină briza mării, cu aer răcit de apă, pe țărm în timpul zilei, și transportul brizei create pe pământ, răcită cu aer prin contactul cu pământul, în largul mării în timpul nopții. Circulația longitudinală constă din două celule, circulația Walker și oscilația sudică El Niño.

Vremea

(Cum se produce vântul foehn.)

Unele fenomene mai localizate decât mișcarea atmosferică globală se datorează și convecției, inclusiv a vântului și a unora din ciclurile hidrologice. De exemplu, un vânt de foehn este un vânt cu pantă descendentă, care are loc pe latura descendentă a unei zone montane. Rezultă de la încălzirea adiabatică a aerului care a pierdut cea mai mare parte a umidității sale pe versanții cu vânt. Datorită diferitelor rate de absorbție adiabatică ale aerului umed și uscat, aerul pe versanții feriți de vânt devine mai cald decât la aceeași înălțime pe cele cu vânt.

Circulația oceanică

(Curenți oceanici.)

Radiațiile solare afectează oceanele: apa caldă din ecuator tinde să circule spre poli, în timp ce apa rece se îndreaptă spre ecuator. Curenții de suprafață sunt inițial dictați de condițiile de vânt de suprafață. Alizeele suflă spre vest în tropice, iar vânturile occidentale suflă spre est la latitudini medii. Acest model de vânt aplică un stres la suprafața oceanului subtropical cu o curbură negativă în emisfera nordică și invers în emisfera sudică. Transportul Sverdrup rezultat este spre ecuator. Din cauza conservării potențialului de vorticitate provocat de vânturile care se deplasează în zona periferică occidentală a creastei subtropicale spre poli și de vorticitatea relativ crescută a apei în mișcare spre poli, transportul este echilibrat de un curent îngust, îngust și accelerat, spre poli, care curge de-a lungul frontierei occidentale a bazinului oceanic, depășind efectele fricțiunii cu curentul de frontieră rece occidental care provine din latitudini mari. Procesul general, cunoscut sub numele de intensificare occidentală, face ca curenții de la limita vestică a unui bazin oceanic să fie mai puternici decât cei de la granița de est.

Pe măsură ce se deplasează spre poli, apa caldă transportată de curentul de apă caldă este supusă răcirii prin evaporare. Răcirea este condusă de vânt: vântul care se deplasează peste apă răcește apa și, de asemenea, provoacă evaporarea, lăsând o soluție salină sărată. În acest proces, apa devine mai săracă și mai densă. și temperatura îi scade. Odată ce se formează gheața de mare, sărurile sunt lăsate în afara gheții, un proces cunoscut sub numele de excludere a saramurii. Aceste două procese fac apa mai densă și mai rece. Apa din nordul oceanului Atlanticului devine atât de densă încât începe să se scufunde în apă mai puțin sărată și mai puțin densă. (Acțiunea convectivă nu este diferită de cea a unei lămpi de lavă.) Această apă dulce, plină de apă rece și densă, devine o parte a apei adânci a Atlanticului de nord, un curs spre sud.

Convecția mantalei

(O crustă oceanică este creată prin ridicare (stânga) și consumată într-o zonă de subducție (dreapta).)

Convecția mantalei este mișcarea lentă prin târâre a mantale stâncoase a Pământului cauzată de curenții de convecție care transportă căldură din interiorul pământului la suprafață. Este una din cele 3 forțe motrice care determină ca plăcile tectonice să se deplaseze în jurul suprafeței Pământului.

Suprafața Pământului este împărțită într-un număr de plăci tectonice care sunt create în mod continuu și consumate la limitele opuse ale plăcii. Crearea (acreția) apare pe măsură ce mantaua este adăugată marginilor în creștere ale unei plăci. Acest material fierbinte adăugat se răcește prin conducție și convecție de căldură. La marginile de consum ale plăcii, materialul s-a contractat termic pentru a deveni dens și se scufundă sub propria greutate în procesul de subducție în un șanț oceanic. Acest material subduct se scufundă până la o adâncime în interiorul Pământului unde nu se mai poate scufunda în continuare. Crusta oceanică subefectată declanșează vulcanismul.

Mecanisme de convecție

Convecția se poate întâmpla în fluide la toate scările mai mari decât câțiva atomi. Există o varietate de circumstanțe în care apar forțele necesare convecției naturale și forțate, conducând la diferite tipuri de convecție, descrise mai jos. În termeni generali, convecția apare din cauza forțelor corpului care acționează în interiorul fluidului, cum ar fi gravitația sau flotabilitatea.

Cauzele convecției sunt, în general, descrise ca fiind una dintre cele „naturale” („liberă”) sau „forțate”, deși există și alte mecanisme. Cu toate acestea, distincția dintre convecția naturală și cea forțată este deosebit de importantă pentru transferul de căldură convectiv.

Convecția naturală

Convecția naturală sau convecția liberă apare datorită diferențelor de temperatură care afectează densitatea și, prin urmare, flotabilitatea relativă a fluidului. Elementele mai grele (mai dense) vor cădea, în timp ce componentele mai ușoare (mai puțin dense) se vor ridica, ceea ce va duce la mișcarea fluidului în masă. Convecția naturală poate apărea, deci, într-un câmp gravitațional. Un exemplu comun de convecție naturală este ridicarea fumului de la un incendiu. Acesta poate fi văzut într-o oală cu apă fierbinte, în care apa caldă și puțin densă de pe stratul inferior se mișcă în sus, iar apa mai rece și mai densă în apropierea vârfului vasului se scufundă.

Convecția forțată

În convecția forțată, denumită și advecția de căldură, mișcarea fluidului rezultă din forțele exterioare ale suprafeței cum ar fi un ventilator sau o pompă. Convecția forțată este folosită în mod obișnuit pentru a mări rata schimbului de căldură. Multe tipuri de amestec utilizează de asemenea convecția forțată pentru a distribui o substanță în alta. Convecția forțată are loc și ca produs secundar la alte procese, cum ar fi acțiunea unei elice într-o încălzire fluidă sau aerodinamică. Sistemele cu radiatoare lichide, precum și încălzirea și răcirea părților corpului prin circulația sângelui, sunt alte exemple familiare de convecție forțată.

Convecția gravitațională sau flotabilitate

Convecția gravitațională este un tip de convecție naturală indusă de variațiile de flotabilitate care rezultă din proprietățile materialelor altele decât temperatura. De obicei, acest lucru este cauzat de o compoziție variabilă a fluidului. Dacă proprietatea variabilă este un gradient de concentrație, se numește convecție solutală. De exemplu, convecția gravitațională poate fi văzută în difuzarea unei surse de sare uscată în jos în sol umed datorită flotabilității apei proaspete în soluție salină.

Convecția granulată

Convecția indusă de vibrații are loc în pulberi și materiale granulate în recipiente supuse vibrațiilor, unde o axă de vibrație este paralelă cu forța gravitației. Când recipientul accelerează în sus, partea inferioară a containerului împinge întregul conținut în sus. În contrast, când recipientul accelerează în jos, părțile laterale ale containerului împing materialul adiacent în jos prin frecare, dar materialul mai îndepărtat de laturi este mai puțin afectat. Rezultatul net este o circulație lentă a particulelor în jos pe laturi și în sus în mijloc.

Convecția termomagnetică

Convecția termomagnetică poate apărea atunci când un câmp magnetic extern este impus pe un ferofluid cu o sensibilitate magnetică variabilă. În prezența unui gradient de temperatură rezultă o forță magnetică neuniformă a corpului, care conduce la mișcarea fluidului. Un ferrofluid este un lichid care devine puternic magnetizat în prezența unui câmp magnetic.

Această formă de transfer de căldură poate fi utilă pentru cazurile în care convecția convențională nu reușește să asigure transferul adecvat al căldurii, de exemplu în dispozitive microscalare miniatură sau în condiții de gravitație redusă.

Acțiunea capilară

Acțiunea capilară este un fenomen în care lichidul se ridică spontan într-un spațiu îngust, cum ar fi un tub subțire sau în materiale poroase. Acest efect poate determina curgerea lichidelor contra forței de gravitație. Aceasta se datorează forțelor atractive inter-moleculare între suprafețele înconjurătoare lichide și solide. Dacă diametrul tubului este suficient de mic, atunci combinația dintre tensiunea superficială și forțele de aderență dintre lichid și recipient acționează pentru a ridica lichidul.

Efectul Marangoni

Efectul Marangoni este convecția fluidului de-a lungul unei interfețe între substanțe diferite datorită variațiilor tensiunii de suprafață. Tensiunea de suprafață poate varia datorită compoziției neomogene a substanțelor sau dependenței de temperatură a forțelor de tensionare de suprafață. În ultimul caz, efectul este cunoscut sub numele de convecție termo-capilară.

Un bine cunoscut fenomen care prezintă acest tip de convecție este „lacrimile vinului”.

Efectul Weissenberg

Efectul Weissenberg este un fenomen care apare când o bară care se rotește este plasată într-o soluție de polimer lichid. Nodurile fac ca lanțurile de polimeri să fie trase către tijă în loc să fie aruncate în afară, așa cum s-ar întâmpla cu un fluid obișnuit (adică apă).

Combustia

Într-un mediu de gravitație zero, nu pot exista forțe de flotabilitate și, prin urmare, nu este posibilă o convecție naturală (liberă), deci flăcările, în multe circumstanțe fără gravitație, se sufocă în propriile lor gaze reziduale. Cu toate acestea, flăcările pot fi menținute cu orice tip de convecție forțată (briza); sau (în medii cu oxigen) în întregime din convecția forțată minimă care apare ca o expansiune indusă de căldură (nu flotabilitatea) prin expansia gazelot, care permite ventilarea flăcării, deoarece gazele reziduale se deplasează spre exterior și se răcesc, – gazul oxigen se deplasează pentru a prelua zonele de joasă presiune create atunci când condensează apa de evacuare a flăcării.