Se avvicini la mano a una lampadina accesao posiziona il palmo della mano su una stufa calda, puoi sentire il movimento delle correnti d'aria calda. Lo stesso effetto si può osservare quando si fa vibrare un foglio di carta posto su una fiamma libera. Entrambi gli effetti sono attribuiti alla convezione.
Che cos'è?
Il fenomeno della convezione si basa sull'espansione di moresostanza fredda a contatto con masse calde. In tali circostanze, la sostanza da riscaldare perde la sua densità e diventa più leggera rispetto allo spazio freddo circostante. Questa caratteristica del fenomeno corrisponde in modo più preciso al movimento dei flussi di calore quando l'acqua viene riscaldata.
Movimento delle molecole in direzioni oppostesotto l'influenza del calore è esattamente ciò su cui si basa la convezione. La radiazione, la conduttività termica sono processi simili, ma riguardano principalmente il trasferimento di energia termica nei solidi.
Esempi lampanti di convezione sono il movimento del caldoaria nel mezzo di una stanza con dispositivi di riscaldamento, quando i flussi riscaldati si spostano verso il soffitto e l'aria fredda scende sulla superficie stessa del pavimento. Ecco perché quando il riscaldamento è acceso nella parte superiore della stanza, l'aria è notevolmente più calda rispetto alla parte inferiore della stanza.
Legge di Archimede e dilatazione termica dei corpi fisici
Per capire cosa è naturaleconvezione, è sufficiente considerare il processo con l'esempio della legge di Archimede e il fenomeno di espansione dei corpi sotto l'influenza della radiazione termica. Quindi, secondo la legge, un aumento della temperatura porta necessariamente ad un aumento dei volumi di liquidi. Il liquido riscaldato dal basso nei contenitori sale più in alto e l'umidità di densità maggiore, di conseguenza, si sposta più in basso. In caso di riscaldamento dall'alto rimarranno al loro posto liquidi sempre meno densi, nel qual caso il fenomeno non si verificherà.
L'emergere del concetto
Per la prima volta il termine "convezione" fu proposto dallo scienziato inglese William Pruth nel 1834. È stato utilizzato per descrivere il movimento delle masse termiche in liquidi riscaldati e in movimento.
I primi studi teorici del fenomenola convezione iniziò solo nel 1916. Nel corso degli esperimenti si è riscontrato che il passaggio dalla diffusione alla convezione nei liquidi riscaldati dal basso avviene al raggiungimento di alcuni valori critici di temperatura. Successivamente questo valore è stato definito come "numero di Roel". Prendeva così il nome dal ricercatore che lo studiò. I risultati degli esperimenti hanno permesso di spiegare il movimento dei flussi di calore sotto l'influenza delle forze di Archimede.
Tipi di convezione
La convezione non è possibile quando si riscaldano solidi.È tutta colpa dell'attrazione reciproca piuttosto forte quando le loro particelle solide vibrano. Come risultato di corpi riscaldanti di una struttura solida, non si verificano convezione e radiazione. La conducibilità termica sostituisce i fenomeni indicati in tali corpi e promuove il trasferimento di energia termica.
Un tipo separato è il cosiddettoconvezione capillare. Il processo avviene con abbassamenti di temperatura durante il movimento del liquido attraverso i tubi. In condizioni naturali, l'importanza di tale convezione, insieme alla convezione naturale e forzata, è estremamente insignificante. Tuttavia, nella tecnologia spaziale, la convezione capillare, la radiazione e la conduttività termica dei materiali stanno diventando fattori molto significativi. Anche i moti convettivi più deboli in assenza di gravità portano a difficoltà nell'attuazione di alcuni problemi tecnici.
Convezione negli strati della crosta terrestre
I processi di convezione sono inestricabilmente legati aformazione naturale di sostanze gassose nello spessore della crosta terrestre. Considera il globo come una sfera composta da diversi strati concentrici. Al centro c'è un enorme nucleo caldo, che è una massa liquida ad alta densità contenente ferro, nichel e altri metalli.
Gli strati circostanti per il nucleo terrestre sonolitosfera e mantello semiliquido. Lo strato superiore del globo è direttamente la crosta terrestre. La litosfera è formata da singole placche in movimento libero, che si muovono lungo la superficie del mantello liquido. Nel corso del riscaldamento irregolare di varie parti del mantello e delle rocce, che differiscono per composizione e densità, si formano flussi convettivi. È sotto l'influenza di tali flussi che avviene la trasformazione naturale del fondo oceanico e il movimento dei continenti portatori.
Differenze tra convezione e conducibilità termica
È necessario comprendere la conducibilità termicala capacità dei corpi fisici di trasferire calore attraverso il movimento di composti atomici e molecolari. I metalli sono ottimi conduttori di calore, poiché le loro molecole sono in stretto contatto tra loro. Al contrario, le sostanze gassose e volatili sono cattivi conduttori di calore.
Come avviene la convezione?La fisica del processo si basa sul trasferimento di calore dovuto alla libera circolazione della massa di molecole di sostanze. A sua volta, la conducibilità termica consiste esclusivamente nel trasferimento di energia tra le particelle costituenti di un corpo fisico. Tuttavia, sia l'uno che l'altro processo è impossibile senza la presenza di particelle di materia.
Esempi del fenomeno
Situato sul retro del frigoriferola griglia svolge il ruolo di elemento che facilita la rimozione dell'aria calda formatasi nel compressore dell'unità durante la compressione del gas. Anche il raffreddamento della griglia si basa su meccanismi convettivi. Per questo motivo, non è consigliabile ingombrare lo spazio dietro il frigorifero. Dopotutto, solo in questo caso il raffreddamento può avvenire senza difficoltà.
Altri esempi di convezione possono essere visti osservandodietro un fenomeno così naturale come il movimento del vento. Riscaldando su continenti aridi e raffreddando su terreni più difficili, le correnti d'aria iniziano a spostarsi a vicenda, il che porta al loro movimento, così come al movimento di umidità ed energia.
La convezione è legata alla possibilità che gli uccelli si librino ealianti. Masse d'aria meno dense e più calde con riscaldamento irregolare vicino alla superficie terrestre portano alla formazione di correnti ascendenti, che contribuiscono al processo di svapo. Per superare le distanze massime senza spendere energia ed energia, gli uccelli hanno bisogno della capacità di trovare tali correnti.
Buoni esempi di convezione sono la generazione di fumo incamini e crateri vulcanici. Il movimento verso l'alto del fumo si basa sulla sua maggiore temperatura e minore densità rispetto all'ambiente. Mentre si raffredda, il fumo si deposita gradualmente nell'atmosfera inferiore. È per questo motivo che le tubazioni industriali, attraverso le quali vengono rilasciate nell'atmosfera sostanze nocive, vengono poste più in alto possibile.
Gli esempi più comuni di convezione in natura e tecnologia
Tra gli esempi più semplici e comprensibili che si possono osservare nella natura, nella vita quotidiana e nella tecnologia, si dovrebbero evidenziare:
- movimento dei flussi d'aria durante il funzionamento delle batterie di riscaldamento domestico;
- formazione e movimento delle nuvole;
- il processo di movimento del vento, dei monsoni e delle brezze;
- spostamento delle placche tettoniche di terra;
- processi che portano alla formazione di gas liberi.
Cucinare il cibo
Sempre più spesso il fenomeno della convezione si realizza inelettrodomestici moderni, in particolare nei forni. Il forno a gas a convezione consente di cuocere contemporaneamente pietanze diverse su livelli separati a temperature diverse. Allo stesso tempo, la miscelazione di sapori e odori è completamente esclusa.
Riscaldamento dell'aria in un forno tradizionalesi basa sul funzionamento di un singolo bruciatore, che porta a una distribuzione del calore non uniforme. A causa del movimento mirato delle correnti d'aria calda utilizzando un ventilatore specializzato, i piatti nel forno a convezione sono più succosi e cotti meglio. Questi dispositivi si riscaldano più velocemente, il che riduce il tempo necessario per la cottura.
Naturalmente, per le casalinghe che cucinanoforno solo poche volte all'anno, un elettrodomestico con funzione di convezione non può essere definito una tecnica essenziale. Tuttavia, per coloro che non possono vivere senza esperimenti culinari, un tale dispositivo diventerà semplicemente insostituibile in cucina.
Ci auguriamo che il materiale presentato ti sia stato utile. Ti auguro il meglio!
