Что такое естественная конвекция

Конвекция (от лат. convecti — «перенесение») – это физическое явление, при котором наблюдается перенос теплоты в жидкости или газе, или же сыпучих средах при помощи потока вещества. В зависимости от порождающих причин, конвекция бывает: естественной (свободной) и вынужденной. В твердом теле и вакууме данное явление невозможно.

Конвекция в веществе возникает самопроизвольно под воздействием неравномерного прогревания в зоне тяготения. Осуществляется нагрев нижнего слоя вещества, в процессе чего тот становится легче и «поднимается». Верхний слой, напротив, становится тяжелее при остывании и опускается на нижний уровень. При повышении разницы температур между отдельными частями среды величина доли переноса в свободной конвекции становится выше. При этом наблюдается уменьшение скорости вынужденного движения.

Простейшим примером естественной конвекции в природе является движение тектонических плит. Свободная конвекция отлично проявляется в таких атмосферных явлениях, как образование облаков. Также благодаря этому явлению на Солнце появляются солнечные пятна и гранулы.

Вынужденная конвекция  представляется собой движение жидкостей, вызываемое внешними поверхностными силами, которые создаются при работе компрессора, насоса и т.д. Главное отличие вынужденной конвекции от свободной – вынужденная может не сопровождаться теплообменом. В таком случае осуществляется конвективный перенос масс. Другим важным отличием является то, что для вынужденной конвекции характерно воздействие внешних тел. Наглядным примером такого явления можно считать процесс перемешивания жидкости при помощи ложки.

Выводы:

1. Конвекция в веществе возникает самопроизвольно под воздействием неравномерного прогревания.
2. Свободная конвекция часто встречается в природе.
3. Вынужденная конвекция может не сопровождаться теплообменом.
4. Для вынужденной конвекции характерно воздействие внешних поверхностных сил.

 

Источник: thedb.ru

Вода — плохой проводник теплоты, а воздух еще хуже. Почему же тогда вода быстро прогревается в чайнике, температура воздуха в разных частях комнаты одинакова? Причина этого — земная гравитация, а процесс, возникающий в газах и жидкостях под действием земного притяжения называется конвекцией.

Вода в чайнике полностью и быстро прогревается, так как нижние слои, нагреваясь, расширяются, становятся легче и поднимаются вверх, а их занимают более тяжелые, холодные слои. Нагреть воду в невесомости будет не так то просто.

Почему радиаторы отопления устанавливают, как можно ближе к полу, а форточки открываются вверху окна? Батареи, чтобы не мешались, можно бы поднять наверх, а форточку сделать пониже. Но если бы кто-то так сделал, то сразу бы обнаружили, что комната при новом устройстве не прогревается и не проветривается.

Потому что у конвекции есть один замечательный закон: чтобы конвекция произошла нагревать надо снизу, а охлаждать сверху.

С воздухом в комнате происходит тоже самое,что и с водой, при нагревании в чайнике. Воздух в нижних слоях начинает нагреваться от радиатора отопления. Он расширяется и поднимается к потолку. Его место внизу занимают холодные, тяжелые слои воздуха. То есть идет постоянное перемешивание, непрерывное течение воздуха — теплого снизу вверх и холодного сверху вниз.

Открыв окно для проветривания мы запускаем поток холодного воздуха, он тяжелый и опускается вниз, вытесняя теплый в открытое окно.

Печное отопление, камины, трубы в котельных, керосиновые лампы — все эти устройства требуют так называемой тяги. Чем выше труба, тем лучше будет гореть топливо (дрова, уголь и т.п), то есть будет лучше тяга.

Потому что тяга — это скорость, с которой холодный воздух устремляется в топку печи, горелку лампы. И она зависит от разности давлений холодного воздуха вне трубы и теплого воздуха в трубе. Чем выше столб воздуха, тем больше будет разность давлений. Поэтому трубы котельных высокие, а заводов еще выше.

В условиях невесомости, такое явление, как тяга возникать не будет. Да и вообще конвекции в невесомости не будет. Поэтому в космическом корабле не получится пользоваться спичками или зажигалками. Продукты сгорания не будут подниматься и не будут давать гореть пламени. "Задушат "его.

Воздух — теплоизолятор, и с его помощью можно сохранять тепло, но только при условии, что мы избежим конвекции. Конвекция уничтожает теплоизоляционные свойства газов. Устранить конвекцию можно, применяя пористые и волокнистые материалы. Они удерживают слой воздуха, не дают ему конвектировать.

Например, есть такой уникальный материал — гагачий пух. Из такого пуха можно изготовить спальный мешок весом меньше полукилограмма из-за исключительной тонкости волокон. Полкилограмма этого пуха могут задержать столько же воздуха, как десять килограмм ваты.

Двойные, тройные стеклопакеты (рамы) — это тоже способ борьбы с конвекцией. Воздух между стеклами не участвует в конвекции с воздухом в комнате. Всякое движение воздуха усиливает перемешивание и увеличивает передачу тепла.

Вот такая она — конвекция.

Источник: zen.yandex.ru

Естественная конвекция 

Изучение естественной конвекции, ее процессов и свойств имеет очень важное значение для стабильной работы многих технических систем, так как это напрямую связано с отводом тепловой энергии. В случае, когда обычные способы сброса избыточного тепла являются недостаточно эффективными, применяются принудительную конвекцию.

Самыми распространенными отопительными приборами являются конвекторы, в которых основная часть теплоносителя подается как раз посредством конвекции, например конвекторы из оребренных труб, по которым перемещается теплоноситель. Сама труба заключается в специальный кожух с отверстиями для прохода воздуха.

Привычные всем радиаторы отопления совмещают в себе принципы естественной и принудительной конвекции. Внутри радиаторов теплоноситель перемещается принудительно, но обогрев непосредственно самого помещения происходит посредством естественных процессов.

Тем не менее, в некоторых случаях необходимо подавлять естественную конвекцию, чтобы снизить потери тепла. Это, к примеру, происходит в солнечных коллекторах, когда снижение теплопотерь через прозрачную изоляцию является первостепенной задачей.

Еще одним широко используемым в быту и промышленности прибором, основанным на принципе конвекции, является воздухонагреватель. Его используют не только для обогрева помещений, но также для продувки доменных печей и других целях. Когда воздухонагреватель работает в режиме нагрева, продукты сгорания устремляются вверх и попадает в коллектор. В режиме продувки холодный воздух забирает тепловую энергию, аккумулирующуюся в коллекторе, после чего сам нагревается и направляется в воздухопровод, где и используется в различных целях.

Вынужденная конвекция 

Когда происходит процесс течения жидкости, то непосредственно к поверхности твердого тела образуется пограничный неподвижный слой. Теплота передается через этот слой путем теплопроводности. плотность теплового потока через пограничный слой пропорциональна разности температур жидкости и поверхности тела

Источник: spravochnikvs.com

Конвекция

Если жидкости и газы обладают низкой теплопроводностью, то как же тогда нам удаётся достаточно быстро прогреть воздух в помещении и вскипятить воду?

ЯВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ВОЗДУХЕ

Находясь рядом с горячей плитой, можно почувствовать тёплые струи воздуха, поднимающиеся над ней. Этот же эффект хорошо ощущается, если сверху поднести руку к горящей свече или горящей электрической лампочке.

Это физическое явления используется в игрушке «музыкальная ёлочка». Когда зажигаются свечки, под действием возникающих струй тёплого воздуха, направленных вверх, вертушка начинает вращаться, а колокольчики — звенеть.

Если сделать из бумаги спираль и поместить её над включённой электрической лампочкой, как показано на рисунке, под действием поднимающегося нагретого воздуха спираль начнёт вращаться.

В этом опыте, так же как и в игрушке «музыкальная ёлочка», происходит нагревание воздуха, находящегося вблизи горящей лампочки или свечи. При этом он расширяется, и его плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха. Под действием выталкивающей (архимедовой) силы со стороны холодного воздуха тёплый воздух вытесняется вверх. Образовавшийся воздушный поток и вращает спираль.

ЯВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ЖИДКОСТИ

Аналогичные явления происходят и при нагревании жидкости, если источник тепла находится снизу.

Нагретые слои жидкости имеют меньшую плотность. Поэтому сила тяжести, действующая на них, становится меньше архимедовой силы, действующей на эти слои со стороны окружающей жидкости. Вследствие этого нагретые слои воды начинают подниматься вверх, а на их место опускаются более холодные слои жидкости. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не прогреется одинаково по всему объёму.

Рассмотрим следующий опыт. На дно колбы с водой аккуратно опустим несколько кристалликов любого красителя (например, марганцовокислого калия). Начнём нагревать колбу снизу. Сразу станет хорошо видно, как со дна колбы поднимаются окрашенные струйки воды.

КОНВЕКЦИЯ

При нагревании воздуха или воды снизу происходит теплопередача, обусловленная переносом вещества и отличающаяся от теплопроводности. Этот процесс называют конвекцией (от лат. convectio — перенесение).

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия передаётся потоками (или струями) жидкости или газа.

В 7 классе мы говорили о том, что строение твёрдых тел отличается от строения жидкостей и газов. В твёрдых телах перенос вещества невозможен, поэтому конвекция наблюдается только в жидкостях и газах. В твёрдых телах она не происходит.

В закрытом помещении при работе отопительных приборов всегда возникает явление конвекции. Поэтому разница температур воздуха у пола и вблизи потолка может достигать нескольких градусов.

ЕСТЕСТВЕННАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ

Различают два вида конвекции: естественную и вынужденную. Рассмотренные выше процессы нагревания воздуха и жидкости являются примерами естественной конвекции. Для её возникновения требуется либо подогрев жидкости или газа снизу, либо охлаждение сверху.

Вынужденная конвекция наблюдается в случае, когда потоки нагретой или охлаждённой жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов.

КОНВЕКЦИЯ В ПРИРОДЕ

Конвекция является очень распространённым явлением в природе. Она выполняет основную роль в образовании в атмосфере потоков воздуха — ветров. Нагреваясь над одними участками земли и охлаждаясь над другими, воздух начинает циркулировать, перенося с собой энергию и влагу.

Эти же причины порождают дневные и ночные бризы — ветры, попеременно дующие от моря к суше днём и от суши к морю ночью. В течение дня температура земли становится заметно выше, чем температура моря. Соответственно и воздух, соприкасающийся с землёй, теплеет, расширяется и его плотность уменьшается. За счёт явления конвекции возникает циркулирующее течение воздушных масс. Ночью происходит обратный процесс, так как земля охлаждается до температуры, которая ниже, чем температура моря.

Благодаря конвекции птицы способны подолгу парить в воздухе. Разные участки земли прогреваются по-разному, и из-за этого возни кают восходящие воздушные потоки. Эти же потоки используются при полётах на дельтапланах.

Из-за конвекции нагретый пар из труб котельных и дым из печных труб при отсутствии ветра поднимаются вверх, так как имеют более низкую плотность, чем окружающий воздух.

В быту мы привыкли к тому, что при нагреве воды источник тепла располагается снизу. Нагревательные приборы в комнате также всегда расположены внизу.

Опыты показывают, что при нагревании сверху как жидкостей, так и газов конвекции не происходит. В этом случае просто не возникает выталкивающая сила, так как нагретые слои с меньшей плотностью располагаются сверху.

Естественная и вынужденная конвекция лежат в основе действия отопительной системы зданий. Нагревание воды может производиться либо непосредственно в здании при помощи специального котла, либо за пределами отапливаемого помещения при наличии системы центрального отопления. Горячая вода, поступающая в дом или нагретая в котле, поднимается вверх, а затем спускается по трубам и распределяется по помещениям, отдавая тепло в радиаторах.

---

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Конвекция».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Источник: xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai

Вынужденная и естественная конвекция – в чем разница?

Конвекция основана на расширении вещества с более низкой температурой в момент контактирования с горячей массой. При нагревании элемент становиться менее плотным. А значит, происходит снижение его массы в относительно холодных условиях окружающей среды.

Это явление мы наблюдаем, когда происходит распространение тепла при нагревании обычной воды.

Конвекцию можно подразделить на два вида:

• Естественная или самопроизвольная проявляется под воздействием неравномерности нагрева слоёв. Нагреваясь, залегающие в глубине пласты стремятся на верх, а верхние – остывая, тяжелеют и уходят на дно. Такое движение происходит само собой, без какого-либо вмешательства извне.

Она может развиваться по ламинарному и турбулентному типу. Примером естественного конвекционного явления можно назвать облака, тектонические движения участков земли, образование солнечных гранул.

• Принудительная, другими словами вынужденная – происходит путём механического перемешивания с помощью различных мешалок. Её используют для повышения эффективности естественных процессов.

К естественной конвекции относится разнотемпературный режим слоёв жидкости, воздушного пространства, океанической воды, устойчивые движения воздушных масс.

К вынужденной – механическое перемешивание слоёв жидкости предметом типа мешалки, насоса, вентилятора.

Причины явления и его виды

• Обычная – под воздействием архимедовой силы, возникает в гравитационном поле из-за разной температуры слоёв.
• Термокапилярного типа – возникает в связи с поверхностным натяжением.
• Концентрационного типа – зависит от концентрации раствора.
• Термомагнитного типа – возникает в гравитационном поле при взаимодействии с магнитным.
• Гранулярного типа – характерна для сыпучей среды.
• Термострессового типа – возникает из-за темературного напряжения.
• Термодинамического типа – возникает в связи с переносом тепловой энергии потоком из-за силы тяжести, если нагрев не равномерен (характерна для газов, в текучих и сыпучих средах).

Движение воздуха в отапливаемом помещении

В этом случае тёплый воздух движется потоками вверх, а холодный – вниз. Когда отопление включено, ближе к потолку воздух в комнате намного теплее, чем над поверхностью пола. Это легко объяснить Архимедовым законом. Только в данном случае тепловое излучение нагревает тела.

Как гласит закон, увеличивается температура – увеличивается объём любой жидкости. Условием такого развития событий является нагрев ёмкости снизу, когда тёплый менее плотный поток устремляется вверх, а более холодные слои, а значит, и более плотные, – вниз.

Если же нагревать ёмкость сверху, то никакого движения внутри жидкости не происходит, а значит и конвекция отсутствует.

История возникновения понятия

Оно было предложено впервые английским учёным В.Прутом в 1834 г. Словом «конвекция» он назвал движение тёплых потоков в нагреваемых жидких средах.

Теоретическое обоснование этому явлению было дано в 1916 г. Опытные исследования проводились с жидкостями, помещёнными в определённые ёмкости, подогреваемые в нижней части.

Исследователи заметили, что потоки диффундируют и переходят на уровень конвекции только тогда, когда температура жидкости близко подходит к отметке критической.

Эти экспериментальные данные стали свидетельством движения тёпловых потоков под воздействием Архимедовой силы.

Примеры различных конвекций

Естественная разновидность конвекции хорошо прослеживается в условиях отапливаемого помещения.

Принудительный вид конвекции характеризуется механическим воздействием. Когда происходит перемешивание каким-либо прибором или техническим устройством, к примеру, обычной ложкой или электронасосом.

Конвекционные процессы не происходят в твёрдых телах. Причиной тому является сильное взаимопритяжение их составляющих. Нагреваясь, твёрдые тела излучают тепловую энергию благодаря свойству теплопроводности.

Большое значение для космической отрасли имеет конвекция капиллярного типа, которая происходит благодаря температурным скачкам при движении жидкости по трубопроводу.

Распространённым примером конвекции является работа бытовых холодильников. Холодный фреон, находящийся в газообразном состоянии, движется по специальным трубкам, охлаждая воздух в верхних слоях. Тогда более тёплый поток устремляется вверх, а холодный – вниз, что создаёт температуру оптимальную для сохранения свежести продуктов.

Внутрипланетарная конвекция

Образование внутри земной коры залежей газа – яркий пример внутрипланетарной конвекции. Дело в том, что центральное ядро планеты Земля жидкое, с большой внутренней плотностью. Эта расплавленная лава богата металлами.

Далее расположен слой литосферы, характерным состоянием которого является полужидкое. Поверхность земли образует земную кору. Состоящая из ряда платформенных участков литосфера, постоянно движется по жидкой поверхности ядра.

Конвекционные процессы возникают из-за разности температур отдельных участков жидкого земного ядра. Под воздействием этого природного явления происходит смещение материковых участков суши и сдвиг океанического ложа.

Источник: askonline.ru