Конвекция

Конвекция — это один из способов теплопередачи, при котором энергия переносится струями жидкостей или газов. Наглядный пример конвекции — это ощущение тепла, электрической лампочки (не касаясь её), ощущение горячих струй воздуха, исходящих от раскаленного на солнце песка. Также, примерами конвекции могут являться дым, исходящий из печной трубы, облака и туман. Все эти явления происходят по причине неравномерного нагрева газов или жидкостей. Теплые слои стремятся переместиться выше, а холодные — напротив, опускаются. Мы уже знаем, что при нагревании тела расширяются, а значит, уменьшается их плотность. Теплый воздух стремится вверх, т.к. сила Архимеда, выталкивающая его из холодного воздуха, становится больше силы тяжести. Не следует путать это с теплопроводностью: теплый воздух сам поднимается, а не нагревает слои воздуха, которые выше. Таким образом, потоки теплого воздуха осуществляют перенос энергии.

Существует естественная и вынужденная конвекция. Примером естественной конвекции может быть равномерное нагревание или охлаждение жидкостей или газов. Скажем, вода в чайнике, постоянно циркулирует из-за того, что сначала нагреваются нижние слои воды. Эти нагретые слои вытесняются верхними холодными слоями, которые опускаются на дно и, в свою очередь нагреваются от источника тепла. Через какое-то время, температура нижних слоёв снова превысит температуру верхних, в результате чего, верхние слои вновь опустятся вниз. Подобный процесс происходит и с воздухом. Самый очевидный пример естественной конвекции в природе — это ветер.

Хорошо известно, что в разных областях Земли разный климат и, соответственно, неравномерно нагретый воздух. Более нагретый воздух в одной области вытесняется менее нагретым воздухом из другой области. Поскольку речь идёт о перемещении огромных масс воздуха на существенное расстояние, то сильные ветра — неудивительное явление.

Примером вынужденной конвекции в быту является, например, использование вентилятора или кондиционера, который перемешивают воздух. Также перемешивание какой-либо неравномерно нагретой жидкости — это вынужденная конвекция, т.к. потоки возникают не из-за разности температуры, а из-за механического перемещения частиц.

Исходя из объяснения процесса, можно сделать вывод, что для стимуляции конвекции нужно нагревать жидкости или газы снизу или же остужать их сверху. Ведь если их нагреть сверху или остудить снизу, все слои так и останутся на своем месте, и никакой циркуляции не произойдёт. Как раз поэтому, батареи устанавливаются поближе к полу, а кондиционеры — поближе к потолку.

Батарея нагревает нижние слои воздуха в комнате, которые всплывают вверх, а более холодные оседают, после чего тоже нагреваются батареей. Также происходит и с охлаждением: кондиционер охлаждает верхние слои воздуха, из-за чего те опускаются вниз, а их место занимают более теплые слои, после чего тоже охлаждаются.

Заметим ещё один важный пункт. Конвекция не может происходить в твердых телах, потому что, как мы уже знаем, в твердых телах частицы не перемещаются, а только колеблются.