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.
