Przeczytaj
Warto przeczytać
Czym jest konwekcja?
Konwekcja to proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w płynach, czyli w gazach lub cieczach. Ruch ten pojawia się wtedy, gdy temperaturatemperatura dolnych warstw płynu jest wyższa niż warstw górnych. Różnica temperaturtemperatur powoduje różnicę gęstościgęstości płynu. Na skutek siły wyporu gorący płyn, o mniejszej gęstościgęstości, wznosi się ku górze, natomiast chłodny płyn, o większej gęstościgęstości, za sprawą siły grawitacji, opada na dół. Powstają prądy ciepłego płynu skierowane do góry i chłodnego skierowane w dół. Prądy te nazywamy prądami konwekcyjnymi. W warunkach, gdy różnica temperatur na górze i na dole płynu nie zmienia się przez długi czas, prądy te mogą tworzyć tzw. komórki konwekcyjne, które mogą być stabilne przez długi czas.
Zjawisko konwekcji przyczynia się do wyrównywania temperaturtemperatur w całej objętości płynu. Prąd gazu lub cieczy o wysokiej temperaturzetemperaturze unosi ze sobą energię cieplną, którą przekazuje otoczeniu na większych wysokościach.
Przykłady zjawiska konwekcji
Przykład 1. Podgrzewanie wody w garnku przy pomocy kuchenki
Rys. 1. przedstawia wodę w naczyniu, która jest podgrzewana od dołu. Energia cieplna przekazywana jest cząsteczkom wody znajdującym się blisko dna. Energia kinetyczna tych cząsteczek zwiększa się, dzięki czemu wzrasta temperaturatemperatura najniższych warstw cieczy. Cząsteczki poruszają się coraz szybciej, na skutek czego powiększają się odległości między nimi. Jest to zjawisko rozszerzalności cieplnejrozszerzalności cieplnej (zob. e‑materiał pt. Na czym polega zjawisko rozszerzalności objętościowej cieczy?). Wraz ze zwiększaniem się objętości, maleje gęstośćgęstość wody w dolnej warstwie. Powoduje to przemieszczanie się gorącej wody z dna naczynia ku górze. Miejsce gorącej wody z dna zajmuje chłodna woda, która napływa z góry naczynia. Tworzą się komórki konwekcyjne.
Przykład 2. Konwekcja w atmosferze ziemskiej - powstawanie pasatów
Zjawisko konwekcji w atmosferze ziemskiej odpowiada za kształtowanie się klimatu.
Rys. 2. pokazuje układ prądów konwekcyjnych w atmosferze ziemskiej, który odpowiada stabilnym komórkom konwekcyjnym powietrza. W pobliżu równika gorące powietrze unosi się do góry i na dużej wysokości zaczyna się przemieszczać się na północ i na południe, w kierunku zwrotników. W okolicy zwrotników ochłodzone powietrze opada na dół i w postaci stałych wiatrów - pasatów - kieruje się ponownie w stronę równika.
Przykład 3. Powstawanie bryzy
Rys. 3. obrazuje inny przykład powietrznych prądów konwekcyjnych, które są odpowiedzialne za powstawanie bryzy, tj. wiatru wiejącego na granicy lądu i morza lub jeziora. Woda nagrzewa się i stygnie wolniej niż ziemia i skały. Z tego powodu podczas dnia temperatura powietrza nad lądem jest z reguły wyższa niż nad wodą (nagrzane skały oddają ciepło powietrzu podnosząc jego temperaturę). Ciepłe powietrze znad lądu wznosi się i przemieszcza nad wodę, gdzie oddaje energię cieplną zalegającym tam chłodniejszym masom powietrza. Jego zmniejsza się. Ochłodzone powietrze opada nad wodę i dołem powraca nad ląd. To dlatego w ciągu dnia obserwujemy chłodną bryzę od strony morza w kierunku lądu. Nocą jest odwrotnie. Temperatura powietrza nad wodą jest wyższa niż nad lądem. Nocą kierunek prądu konwekcyjnego zmienia się i chłodna bryza wieje od lądu w kierunku morza.
Przykład 4. Chmury kłębiaste zwane cumulusami
W letnie dni często widzimy na niebie białe obłoki zwane cumulusami. Za ich powstanie jest również odpowiedzialne zjawisko konwekcji. W ciepły, słoneczny dzień nagrzewa się grunt, a od niego warstwa powietrza nad ziemią. Ciepłe powietrze wznosi się pionowo, po czym ulega ochłodzeniu, co prowadzi do skraplania pary wodnej zawartej w powietrzu. Drobne kropelki wody tworzą chmurę – cumulusa.
Przykład 5. Zrób to sam ...
Zjawisko konwencji można łatwo zademonstrować w warunkach domowych. Potrzebujesz do tego tylko dwóch rzeczy: świeczki i wyciętej z papieru spirali.
Na początek umieść świeczkę na górze otwartego okna. W którą stronę jest skierowany jej płomień? Teraz przestaw świeczkę na dół okna. Czy kierunek płomienia pozostał taki sam? W zamkniętym pomieszczeniu temperatura jest wyższa w pobliżu sufitu. Gdy świeczka znajduje się na górze okna, płomień kieruje się na zewnątrz, bo ciepłe powietrze unosi się i górą ucieka z pomieszczenia na zewnątrz. Gdy świeczka stoi na dole okna, płomień kieruje się do środka pomieszczenia, ponieważ chłodne powietrze dołem przez okno dostaje się do wnętrza.
Omówmy teraz drugą część doświadczenia. Wytnij z papieru spiralę, zawieś ją na nitce i trzymaj nad zapaloną świeczką - uważaj tylko, by spirala się nie zapaliła! Co się dzieje ze spiralą? Płynący w górę strumień ciepłego powietrza sprawia, że spirala zaczyna się kręcić!
Konwekcja swobodna i wymuszona
W opisanych wyżej przykładach ruch cieczy lub gazu wywołany był różnicą temperaturtemperatur, co pociągało za sobą różnicę gęstościgęstości. Taki proces nazywamy konwekcją swobodną. Gdy ruch cieczy lub gazu spowodowany jest siłą zewnętrzną, na przykład działaniem wentylatora lub pompy, to takie zjawisko nazywamy konwekcją wymuszoną.
Warto również wspomnieć o tym, że w określonych warunkach, powstające w różnych płynach (cieczach lub gazach) komórki konwekcyjne, mają pewne określone, minimalne rozmiary. Jeżeli objętość, w której znajduje się płyn, jest mniejsza od minimalnego rozmiaru komórki konwekcyjnej, wówczas prąd konwekcyjny nie powstanie - nie zaobserwujemy konwekcji. Tę cechę zjawiska konwekcji wykorzystuje się podczas konstrukcji materiałów izolacyjnych, w których występują przestrzenie wypełnione powietrzem o tak małej objętości, aby nie zachodziła w nich konwekcja. Przykłady takich materiałów to: pianka poliuretanowa, polar, czy styropian.
Słowniczek
(ang. density) – masa ciała o jednostkowej objętości. Gęstość d wyraża się wzorem , gdzie m – masa ciała, V – objętość ciała. W układzie SI jednostką gęstości jest kg/mIndeks górny 33.
(ang. thermal expansion) – zjawisko polegające na powiększaniu się objętości gazów, cieczy i ciał stałych wraz ze wzrostem temperatury.
(ang. temperature) – miara średniej energii kinetycznej cząsteczek ciała.