Ciecze są złymi przewodnikami ciepła, dlaczego więc kaloryfery wypełnia się wodą lub innym płynem? Również gazy, a więc i powietrze, są izolatorami, w jaki zatem sposób ogrzewa się całe mieszkanie? Co wspólnego ma gotująca się zupa z plamami na Słońcu?

Kaloryfery grzeją nasze mieszkania, ale same w sobie nie produkują ciepła – ono powstaje w kotłowni budynku lub jest dostarczane z sieci ciepłowniczej. Jak to się jednak dzieje, że do grzejnika w pokoju zawsze dociera ciepła woda, a opuszcza go zimna, a nie na odwrót? Odpowiedzią na to jest odpowiednie wykorzystanie przez konstruktorów zjawiska konwekcji
Już wiesz
  • opisać związek między energią wewnętrzną ciała a jego temperaturą;

  • obliczyć gęstość ciała, gdy znane są jego masa i objętość;

  • znając gęstość ciała i płynu, w którym go zanurzono, przewidzieć, czy ciało utonie, czy wypłynie;

  • opisać zmiany objętości płynu, gdy zmienia się jego temperatura.

Nauczysz się
  • opisywać zjawisko konwekcji;

  • analizować przebieg zjawiska konwekcji w różnych przykładach ze swojego otoczenia.

Podczas ogrzewania ciała zwiększają swoją objętość. W miarę wzrostu temperatury cząsteczki cieczy i gazów poruszają się coraz szybciej i w następstwie tego oddalają się od siebie – rośnie objętość cieczy i gazów.

Polecenie 1

Przypomnij sobie definicję gęstości ciała i oceń, jak zmieni się (wzrośnie czy zmaleje) gęstość 1 kg powietrza, jeśli na skutek wzrostu temperatury jego objętość wzrośnie. Odpowiedź uzasadnij.

Jeśli poprawnie wykonałeś polecenie, to jego wynik można sformułować w postaci wniosku:
powietrze mające wyższą temperaturę ma mniejszą gęstość.

Polecenie 2

Przypomnij sobie warunek pływania ciał i odpowiedz na pytanie, jak zachowa się porcja powietrza o mniejszej gęstości zanurzona w powietrzu o większej gęstości?

Wnioski wynikające z wykonanych wyżej poleceń pozwalają stwierdzić, że powietrze o niższej temperaturze (a więc większej gęstości) opada na dno – „tonie” w powietrzu o wyższej temperaturze (mniejszej gęstości). Natomiast cieplejsze powietrze wypływa, czyli unosi się do góry, jeśli jest zanurzone w powietrzu chłodniejszym.

Zjawisko konwekcji obserwujemy wszędzie tam, gdy pomiędzy różnymi miejscami objętości substancji występuje różnica temperatur. W wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej, dlatego rosną odległości między nimi, z czego wynika wzrost objętości i spadek gęstości. Obszar gazu lub cieczy o wyższej temperaturze i mniejszej gęstości zgodnie z prawem Archimedesa zaczyna unosić się w górę. Po drodze stykając się z obszarami chłodniejszymi, oddaje im energię.

konwekcja

– proces przenoszenia ciepła w wyniku makroskopowych ruchów materii w gazach i cieczach.

Jeśli ten ruch fragmentów gazu lub cieczy wywołany jest różnicą gęstości, to konwekcję nazywamy swobodną.

Spotyka się czasem określenie konwekcja wymuszona, kiedy ruch powietrza lub cieczy jest spowodowany dzianiem sił zewnętrznych, np. wentylatora. Tego zjawiska nie będziemy jednak omawiać w tym podręczniku.

Oto kilka przykładów konwekcji swobodnej:

Polecenie 3

Po obejrzeniu powyższej animacji odpowiedz na pytania postawione we wstępie do lekcji: dlaczego kaloryfery wypełnia się płynami oraz w jaki sposób grzejniki ogrzewają mieszkanie, jeśli zarówno ciecze, jak i gazy są złymi przewodnikami ciepła?

Ciekawostka

Efekt konwekcji możemy bardzo łatwo obserwować na powierzchni gotującej się zupy w garnku. Wystarczy kilka minut, aby zauważyć, że w jednych miejscach gotująca się zupa wypływa na powierzchnię, a w innych opada. Zjawisko konwekcji powoduje przeniesienie energii z dna naczynia wyżej. Podobne zjawisko możemy zaobserwować na powierzchni Słońca. Energia wytwarzana w jego jądrze przenoszona jest na powierzchnię. Na głębokości ok. 100 000 km występuje zjawisko konwekcji: gorące obszary gazu wędrują na powierzchnię – wydostając się pod postacią tzw. granul, mają temperaturę wyższą o kilkaset stopni od otaczających obszarów. Efektem jest wysyłanie większych ilości energii z obszaru granuli. W obszarze, w którym zachodzi konwekcja, pojawiają się silne pola magnetyczne, które zakłócają ruch gorącego gazu. Powstaje wtedy obszar chłodniejszy, widoczny jako plama słoneczna.

Poszukaj w Internecie informacji na temat fotosfery słonecznej, granulacji i plam słonecznych.

* Podczas konwekcji w cieczy lub gazie tworzą się prądy konwekcyjne; jedne strugi płynu poruszają się w górę, a drugie w dół. Strugi te tworzą tak zwane komórki konwekcyjne.

Ćwiczenie 1

Podsumowanie

  • Konwekcją nazywamy zjawisko polegające na przenoszeniu ciepła przez poruszające się ogrzane warstwy lub obszary gazów bądź cieczy.

  • Konwekcja swobodna – to ruch gazu lub cieczy spowodowany przez różnice gęstości obszarów o różnej temperaturze.

  • Ze zjawiskiem konwekcji często spotykamy się na co dzień. Powietrze o wyższej temperaturze w pobliżu nagrzanego kaloryfera unosi się do góry, tam oziębia się i następnie opada.

  • Zjawisko konwekcji obserwujemy wszędzie tam, gdzie pomiędzy różnymi miejscami objętości substancji występuje różnica temperatur. W wyższej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej, dlatego rosną odległości między nimi, stąd wzrost objętości i spadek gęstości. Obszar gazu lub cieczy o wyższej temperaturze i mniejszej gęstości zgodnie z prawem Archimedesa zaczyna unosić się w górę. Po drodze, stykając się z obszarami chłodniejszymi, oddaje im energię.

Praca domowa
Polecenie 4.1

Wyjaśnij znaczenie potocznego określenia „ciepło idzie do góry”. W swojej wypowiedzi użyj pojęcia: rozszerzalność termiczna, gęstość, konwekcja, ruch konwekcyjny.

Polecenie 4.2

W wielu biurowcach instalowane są systemy chłodzenia wykorzystujące tzw. wodę lodową, zawierającą glikol. Woda jest chłodzona w instalacji przypominającej układ chłodniczy spotykany w lodówkach AGD i jako zimna płynie rurami umieszczonymi pod sufitem. Napisz, w jaki sposób system taki ochładza powietrze w pomieszczeniu.

Polecenie 4.3

Często słyszymy polecenie: „zamknij drzwi, bo zimno leci”. Dlaczego nie jest ono poprawne? Jak powinno brzmieć? Jak przebiega proces wymiany energii po otwarciu drzwi?

Zadanie podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 2