KONVEKCE: VLASTNOSTI, PŘÍKLADY, APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Konvekce je jedním ze tří mechanismů, že teplo se přenáší z jedné zóny do druhé teplejší chladič. To se děje kvůli pohybu hmoty tekutiny, která může být kapalina nebo plyn. V každém případě je pro tento mechanismus vždy nutné materiální médium.

Čím rychlejší je pohyb dané tekutiny, tím rychlejší je přenos tepelné energie mezi zónami různých teplot. Toto se děje nepřetržitě s atmosférickými vzduchovými hmotnostmi: vztlak zajišťuje, že teplejší a méně husté stoupají, zatímco chladnější a hustší sestupují.

Obrázek 1. Místnost je chlazena otevřením dveří, protože horký vzduch (červená šipka) a méně husté stoupání a úniky z nich. Zdroj: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Příkladem je uzavřená místnost v obraze, která se okamžitě ochladí, jakmile se otevřou dveře nebo okna, protože horký vzduch z vnitřku uniká i skrz trhliny, čímž se uvolňuje čerstvý vzduch zvenčí, který zůstává více dolů.

Druhy konvekcí

Přirozená a nucená konvekce

Obrázek 2. Příklady nucené konvekce a přirozené konvekce. Zdroj: Cengel, Y. Termodynamika.

Konvekce může být přirozená nebo nucená. V prvním případě se tekutina pohybuje sama o sobě, jako při otevírání dveří do místnosti, zatímco ve druhém je tlačena například ventilátorem nebo čerpadlem.

Difúze a poradenství

Mohou existovat také dvě varianty: difúze a rada. Při difúzi se molekuly tekutiny pohybují více či méně náhodně a přenos tepla je pomalý.

Naproti tomu protahování pohybuje dobrým množstvím tekutin, čehož lze dosáhnout například nutením konvekce s ventilátorem. Výhodou rady je však to, že je mnohem rychlejší než šíření.

¿

Jednoduchý matematický model konvekčního přenosu tepla je Newtonův zákon chlazení. Zvažte horký povrch oblasti A, obklopený chladnějším vzduchem, takže rozdíl v teplotě je malý.

Nazvěme teplo přenesené Q a čas t. Rychlost přenosu tepla je dQ / dt nebo odvozená od funkce Q (t) s ohledem na čas.

Protože teplo je tepelná energie, jsou jeho jednotky v mezinárodním systému jouly (J), proto rychlost přenosu přichází v joulech za sekundu, což jsou watty nebo watty (W).

Tato rychlost je přímo úměrná teplotnímu rozdílu mezi horkým objektem a médiem, označeným jako ΔT, a také k povrchové ploše A objektu:

Konstanta proporcionality se nazývá h, což je koeficient přenosu tepla konvekcí a určuje se experimentálně. Její jednotky v mezinárodním systému (SI) jsou W / m ². K, ale je běžné najít ji ve stupních Celsia nebo Celsia.

Je důležité si uvědomit, že tento koeficient není vlastností tekutiny, protože závisí na několika proměnných, jako je geometrie povrchu, rychlost tekutiny a další vlastnosti.

Kombinace všech výše uvedených, matematicky Newtonův zákon chlazení má tuto podobu:

Aplikace Newtonova zákona chlazení

Uprostřed místnosti stojí osoba 20 ° C, přes kterou fouká mírný vánek. Jaká je rychlost tepla, kterou osoba přenáší do okolí konvekcí? Předpokládejme, že exponovaná plocha povrchu je 1,6 m ² a teplota povrchu kůže je 29 ºC.

Skutečnost: Koeficient přenosu tepla konvekcí je v tomto případě 6 W / m ². ° C

Řešení

Osoba může přenášet teplo do vzduchu kolem nich, protože je v pohybu, když fouká vítr. Chcete-li najít přenosovou rychlost dQ / dt, jednoduše připojte hodnoty do Newtonovy rovnice pro chlazení:

dQ / dt = 6 W / m ². ° C x 1,6 m ² x (29 ° C - 20 ° C) = 86,4 W.

Příklady konvekce

Zahřejte ruce nad ohněm

Je běžné zahřát si ruce tak, že je přiblížíte k táboráku nebo horkému topinkovaču, protože vzduch kolem zdroje tepla se zase zahřívá a rozšiřuje, stoupá, protože je méně hustý. Jak cirkuluje, tento horký vzduch obaluje a zahřívá ruce.

Obrázek 3. Jedním ze způsobů, jak si zahřát ruce, je proud konvekce vytvářený ve vzduchu ohněm. Zdroj: Pxfuel.

Proud vzduchu na pobřeží

Na pobřeží je moře chladnější než země, takže vzduch nad zemí se zahřívá a stoupá, zatímco chladnější vzduch přichází a usazuje se v prostoru, který zbyl, když stoupal.

Tomu se říká konvekční buňka a to je důvod, proč se cítí chladněji, když se díváte na moře a v horkém dni vám fouká vítr do obličeje. V noci se stane opak, chladný vánek pochází ze země.

Vodní cyklus

Přirozená konvekce nastává ve vzduchu oceánských pobřeží, hydrologickým cyklem, ve kterém je voda ohřívána a odpařována díky slunečnímu záření. Takto vytvořená vodní pára stoupá, ochlazuje a kondenzuje do mraků, jejichž masa stoupá a stoupá konvekcí.

Zvýšením velikosti kapiček vody nastává doba, kdy se voda v závislosti na teplotě vysráží ve formě deště, pevné látky nebo kapaliny.

Vařte vodu v nádobě

Když je voda umístěna v konvici nebo pánev, jsou vrstvy nejblíže ke dnu nejprve zahřívány, protože plamen nebo teplo z hořáku je nejblíže. Poté se voda roztahuje a její hustota se snižuje, proto stoupá a chladnější voda zaujímá své místo na dně nádoby.

Obrázek 4. Ohřev vody konvekcí. Zdroj: wikimedia Commons. Uživatel: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Tímto způsobem všechny vrstvy rychle cirkulují a celé tělo vody se zahřívá. Toto je dobrý příklad rady.

Generování větru

Konvekce ve vzduchových hmotách spolu s rotačním pohybem Země vytváří větry, protože studený vzduch se pohybuje a cirkuluje pod teplým vzduchem a vytváří různé proudy zvané konvekční proudy.

oceánské proudy

Voda se chová podobně jako vzduch v atmosféře. Teplejší vody jsou téměř vždy blízko povrchu, zatímco chladnější vody jsou hlubší.

Dynamo efekt

Vyskytuje se v roztaveném jádru uvnitř planety, kde se kombinuje s rotačním pohybem Země a vytváří elektrické proudy, které vedou ke vzniku magnetického pole Země.

Přenos energie uvnitř hvězd

Hvězdy jako slunce jsou obrovské sféry plynu. Konvekce je tam účinný mechanismus přenosu energie, protože plynné molekuly mají dostatečnou volnost pro pohyb mezi oblastmi vnitřku hvězd.

Aplikace konvekce

klimatizace

Klimatizace je umístěna blízko stropu místnosti, takže chlazený vzduch, který je hustší, sestupuje a rychle se blíží k podlaze.

Tepelné výměníky

Je to zařízení, které umožňuje přenos tepla z jedné tekutiny do druhé a je například principem činnosti klimatizačních a chladicích mechanismů automobilového motoru.

Tepelné izolátory v budovách

Vyrábějí se kombinací izolačních materiálů a přidáním vzduchových bublin dovnitř.

chladicí věže

Také se nazývají chladicí věže a slouží k odstraňování tepla produkovaného jadernými elektrárnami, ropnými rafinériemi a jinými různými průmyslovými zařízeními do vzduchu místo do země nebo do vody.

Reference

1. Giambattista, A. 2010. Fyzika. 2. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Vedení, proudění a záření. Obnoveno z: eltamiz.com.
3. Natahenao. Tepelné aplikace. Obnoveno z: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Proudění. Obnoveno z: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvekční terapie. Obnoveno z: fr.wikipedia.org.