Prądy konwekcyjne i jak działają

Prądy konwekcyjne przepływają płynący płyn, ponieważ w materiale występuje różnica temperatur lub gęstości.

Ponieważ cząstki w ciele stałym są ustalone na miejscu, prądy konwekcyjne są widoczne tylko w gazach i cieczach. Różnica temperatur prowadzi do przeniesienia energii z obszaru o wyższej energii do obszaru o niższej energii.

Konwekcja to przenikanie ciepła proces. Kiedy wytwarzane są prądy, materia jest przenoszona z jednego miejsca do drugiego. Jest to więc także proces transferu masy.

Konwekcja występująca naturalnie nazywa się Naturalna konwekcja lub darmowa konwekcja. Jeśli płyn krąży za pomocą wentylatora lub pompy, nazywa się to wymuszona konwekcja. Komórka utworzona przez prądy konwekcyjne nosi nazwę a komórka konwekcyjna lub Komórka Bénarda.

Różnica temperatur powoduje, że cząsteczki poruszają się, tworząc prąd. W gazach i plazmie różnica temperatur prowadzi również do obszarów o wyższej i niższej gęstości, w których atomy i cząsteczki poruszają się, aby wypełnić obszary o niskim ciśnieniu.

Krótko mówiąc, gorące płyny podnoszą się, a zimne płyny opadają. O ile nie występuje źródło energii (np. Światło słoneczne, ciepło), prądy konwekcyjne trwają tylko do osiągnięcia jednolitej temperatury.

Naukowcy analizują siły działające na płyn, aby skategoryzować i zrozumieć konwekcję. Siły te mogą obejmować:

• Powaga
• Napięcie powierzchniowe
• Różnice w koncentracji
• Pola elektromagnetyczne
• Wibracje
• Tworzenie wiązań między cząsteczkami

Prądy konwekcyjne można modelować i opisywać za pomocą konwekcjidyfuzja równania, które są skalarnymi równaniami transportu.

• W wodzie można obserwować prądy konwekcyjne wrzenie w doniczce. Wystarczy dodać kilka groszków lub kawałków papieru, aby śledzić bieżący przepływ. Źródło ciepła na dnie miski podgrzewa wodę, dodając jej więcej energii i przyspieszając ruch cząsteczek. Zmiana temperatury wpływa również na gęstość wody. Gdy woda unosi się w kierunku powierzchni, część jej ma wystarczająco dużo energii, aby uciec jako para. Parowanie chłodzi powierzchnię na tyle, że niektóre cząsteczki ponownie opadają w kierunku dna szalki.
• Prostym przykładem prądów konwekcyjnych jest ciepłe powietrze unoszące się w kierunku sufitu lub poddasza domu. Ciepłe powietrze jest mniej gęste niż chłodne, więc unosi się.
• Wiatr jest przykładem prądu konwekcyjnego. Światło słoneczne lub odbite promieniuje ciepło, ustawiając różnicę temperatur, która powoduje ruch powietrza. Zacienione lub wilgotne obszary są chłodniejsze lub mogą pochłaniać ciepło, co dodatkowo zwiększa efekt. Prądy konwekcyjne są częścią tego, co napędza globalny obieg atmosfery ziemskiej.
• Spalanie generuje prądy konwekcyjne. Wyjątkiem jest to, że spalanie w środowisku o zerowej grawitacji nie ma pływalności, więc gorące gazy nie powstają naturalnie, co pozwala świeżemu tlenowi zasilić płomień. Minimalna konwekcja w punkcie zero powoduje, że wiele płomieni dusi się we własnych produktach spalania.
• Cyrkulacja atmosferyczna i oceaniczna to odpowiednio ruch powietrza i wody (hydrosfery) na dużą skalę. Oba procesy działają w połączeniu ze sobą. Prądy konwekcyjne w powietrzu i morzu prowadzą do pogoda.
• Magma w płaszczu Ziemi porusza się w prądach konwekcyjnych. Gorący rdzeń ogrzewa materiał nad nim, powodując, że unosi się w kierunku skorupy, gdzie stygnie. Ciepło pochodzi z intensywnego nacisku na skałę, w połączeniu z energią uwalnianą z natury rozpad radioaktywny elementów. Magma nie może dalej rosnąć, więc porusza się poziomo i opada z powrotem.
• Efekt kominowy lub kominowy opisuje prądy konwekcyjne przenoszące gazy przez kominy lub kanały dymowe. Wypór powietrza wewnątrz i na zewnątrz budynku jest zawsze różny ze względu na różnice temperatur i wilgotności. Zwiększenie wysokości budynku lub stosu zwiększa wielkość efektu. Jest to zasada, na której opierają się wieże chłodnicze.
• Prądy konwekcyjne są widoczne na słońcu. Granulki widoczne w słonecznej fotosferze są wierzchołkami komórek konwekcyjnych. W przypadku Słońca i innych gwiazd płynem jest raczej plazma niż ciecz lub gaz.