Als u uw hand dichter bij een ingeschakelde gloeilamp brengtof plaats je handpalm op een hete kachel, je voelt de beweging van warme luchtstromen. Hetzelfde effect kan worden waargenomen bij het trillen van een vel papier dat boven een open vlam is geplaatst. Beide effecten worden toegeschreven aan convectie.
Wat is het?
Het convectieverschijnsel is gebaseerd op de uitbreiding van meerkoude substantie in contact met hete massa's. In dergelijke omstandigheden verliest de te verwarmen substantie zijn dichtheid en wordt hij lichter in vergelijking met de omringende koude ruimte. Deze eigenschap van het fenomeen komt het meest nauwkeurig overeen met de beweging van warmtefluxen wanneer water wordt verwarmd.
Beweging van moleculen in tegengestelde richtingenonder invloed van warmte is precies waar convectie op is gebaseerd. Straling en thermische geleidbaarheid zijn vergelijkbare processen, maar ze hebben voornamelijk betrekking op de overdracht van thermische energie in vaste stoffen.
Opvallende voorbeelden van convectie zijn de beweging van warmtelucht in het midden van een kamer met verwarmingsapparaten, wanneer verwarmde stromen naar het plafond gaan en koude lucht naar het oppervlak van de vloer neerdaalt. Dat is de reden waarom wanneer de verwarming boven in de kamer aanstaat, de lucht merkbaar warmer is in vergelijking met het onderste deel van de kamer.
De wet van Archimedes en thermische uitzetting van fysieke lichamen
Om te begrijpen wat natuurlijk isconvectie, het is voldoende om het proces te beschouwen aan de hand van de werking van de wet van Archimedes en het fenomeen van uitzetting van lichamen onder invloed van thermische straling. Dus volgens de wet leidt een temperatuurstijging noodzakelijkerwijs tot een toename van het vloeistofvolume. De vloeistof die van onderaf in containers wordt verwarmd, stijgt hoger en vocht met een hogere dichtheid beweegt dienovereenkomstig lager. Bij verhitting van bovenaf zullen meer en minder dichte vloeistoffen op hun plaats blijven, in welk geval het fenomeen zich niet zal voordoen.
De opkomst van het concept
Voor het eerst werd de term "convectie" in 1834 voorgesteld door de Engelse wetenschapper William Pruth. Het werd gebruikt om de beweging van thermische massa's in verwarmde, bewegende vloeistoffen te beschrijven.
De eerste theoretische studies van het fenomeenconvectie begon pas in 1916. Tijdens de experimenten is gebleken dat de overgang van diffusie naar convectie in van onderen verwarmde vloeistoffen optreedt bij het bereiken van enkele kritische temperatuurwaarden. Later werd deze waarde gedefinieerd als "Roel's nummer". Het is zo genoemd naar de onderzoeker die het heeft bestudeerd. De resultaten van de experimenten maakten het mogelijk de beweging van warmtestromen onder invloed van de krachten van Archimedes te verklaren.
Convectie types
Convectie is niet mogelijk bij het verwarmen van vaste stoffen.De reden hiervoor is de vrij sterke onderlinge aantrekkingskracht wanneer hun vaste deeltjes trillen. Als gevolg van verwarmingslichamen met een vaste structuur treden convectie en straling niet op. Thermische geleidbaarheid vervangt de aangegeven verschijnselen in dergelijke lichamen en bevordert de overdracht van thermische energie.
Een apart type is de zogenaamdecapillaire convectie. Het proces vindt plaats wanneer de temperatuur daalt tijdens de beweging van de vloeistof door de leidingen. Onder natuurlijke omstandigheden is de betekenis van een dergelijke convectie, samen met natuurlijke en geforceerde convectie, buitengewoon onbeduidend. In de ruimtetechnologie worden capillaire convectie, straling en thermische geleidbaarheid van materialen echter zeer belangrijke factoren. Zelfs de zwakste convectieve bewegingen zonder zwaartekracht leiden tot problemen bij de implementatie van enkele technische problemen.
Convectie in de lagen van de aardkorst
Convectieprocessen zijn onlosmakelijk met elkaar verbondennatuurlijke vorming van gasvormige stoffen in de dikte van de aardkorst. Beschouw de bol als een bol die uit verschillende concentrische lagen bestaat. In het midden bevindt zich een enorme hete kern, een vloeibare massa met hoge dichtheid die ijzer, nikkel en andere metalen bevat.
De omringende lagen voor de kern van de aarde zijnlithosfeer en halfvloeibare mantel. De bovenste laag van de aardbol is direct de aardkorst. De lithosfeer wordt gevormd uit afzonderlijke platen die vrij kunnen bewegen en langs het oppervlak van de vloeistofmantel bewegen. In de loop van ongelijke verwarming van verschillende delen van de mantel en rotsen, die verschillen in samenstelling en dichtheid, worden convectiestromen gevormd. Het is onder invloed van dergelijke stromen dat de natuurlijke transformatie van de oceaanbodem en de beweging van de dragende continenten plaatsvindt.
Verschillen tussen convectie en thermische geleidbaarheid
Thermische geleidbaarheid moet worden opgevat alshet vermogen van fysieke lichamen om warmte over te dragen door de beweging van atomaire en moleculaire verbindingen. Metalen zijn uitstekende warmtegeleiders, omdat hun moleculen nauw met elkaar in contact staan. Integendeel, gasvormige en vluchtige stoffen zijn slechte warmtegeleiders.
Hoe vindt convectie plaats?De fysica van het proces is gebaseerd op de overdracht van warmte door de vrije beweging van de massa van moleculen van stoffen. Op zijn beurt zit thermische geleidbaarheid uitsluitend in de overdracht van energie tussen de samenstellende deeltjes van een fysiek lichaam. Zowel het ene als het andere proces is echter onmogelijk zonder de aanwezigheid van materiedeeltjes.
Voorbeelden van het fenomeen
Bevindt zich aan de achterkant van de koelkasthet rooster speelt de rol van een element dat de verwijdering van warme lucht vergemakkelijkt die tijdens het comprimeren van het gas in de compressor van de eenheid wordt gevormd. De koeling van het rooster is ook gebaseerd op convectiemechanismen. Het is om deze reden dat het niet wordt aanbevolen om de ruimte achter de koelkast vol te proppen. Alleen in dit geval kan immers probleemloos worden gekoeld.
Andere voorbeelden van convectie kunnen worden gezien door te observerenachter zo'n natuurlijk fenomeen als de beweging van de wind. Verwarmend over dorre continenten en afkoeling over zwaarder terrein, beginnen luchtstromen elkaar te verplaatsen, wat leidt tot hun beweging, evenals de beweging van vocht en energie.
Convectie is gekoppeld aan de mogelijkheid van zwevende vogels enzweefvliegtuigen. Minder dichte en warmere luchtmassa's met ongelijkmatige verwarming aan het aardoppervlak leiden tot de vorming van stijgende stromen, wat bijdraagt aan het vapen. Om de maximale afstanden te overbruggen zonder kracht en energie te hoeven besteden, hebben vogels het vermogen nodig om dergelijke stromingen te vinden.
Goede voorbeelden van convectie zijn rookontwikkeling inschoorstenen en vulkanische kraters. De opwaartse beweging van rook is gebaseerd op de hogere temperatuur en lagere dichtheid in vergelijking met de omgeving. Terwijl het afkoelt, zakt de rook geleidelijk in de lagere atmosfeer. Om deze reden worden industriële leidingen, waardoor schadelijke stoffen in de atmosfeer vrijkomen, zo hoog mogelijk gemaakt.
De meest voorkomende voorbeelden van convectie in de natuur en technologie
Onder de eenvoudigste, begrijpelijke voorbeelden die kunnen worden waargenomen in de natuur, het dagelijks leven en technologie, is het de moeite waard om te benadrukken:
- beweging van luchtstromen tijdens het gebruik van huishoudelijke verwarmingsbatterijen;
- wolkenvorming en beweging;
- het proces van beweging van wind, moesson en wind;
- verplaatsing van tektonische aardplaten;
- processen die leiden tot vrije gasvorming.
Eten koken
Steeds vaker wordt het fenomeen convectie gerealiseerd inmoderne huishoudelijke apparaten, met name in ovens. Met de convectiegaskast kun je verschillende gerechten tegelijk bereiden op verschillende niveaus met verschillende temperaturen. Tegelijkertijd is het mengen van smaken en geuren volledig uitgesloten.
Lucht verwarmen in een traditionele ovenis gebaseerd op de werking van een enkele brander, wat leidt tot een ongelijke warmteverdeling. Door de gerichte beweging van hete luchtstromen met behulp van een gespecialiseerde ventilator, wordt het voedsel in de heteluchtoven sappiger en beter gebakken. Deze apparaten worden sneller warm, wat de kooktijd verkort.
Uiteraard voor huisvrouwen die kokenoven slechts een paar keer per jaar, kan een huishoudelijk apparaat met een convectiefunctie geen essentiële techniek worden genoemd. Voor degenen die niet kunnen leven zonder culinaire experimenten, wordt een dergelijk apparaat eenvoudigweg onvervangbaar in de keuken.
We hopen dat het gepresenteerde materiaal nuttig voor je was. Al het beste!
