Konwekcja - Convection

Ten rysunek przedstawia obliczenia konwekcji termicznej w płaszczu Ziemi . Kolory bliższe czerwieni to obszary gorące, a kolory bliższe niebieskiemu to obszary ciepłe i zimne. Gorąca, mniej gęsta dolna warstwa przyścienna wysyła w górę pióropusze gorącego materiału, a zimny materiał z góry przesuwa się w dół.

Konwekcja jest jedno- lub wielofazowym przepływem płynu, który występuje spontanicznie z powodu połączonego wpływu niejednorodności właściwości materiału i sił ciała na płyn , najczęściej gęstości i grawitacji (patrz wyporność ). Gdy przyczyna konwekcji nie jest określona, można założyć konwekcję spowodowaną skutkami rozszerzalności cieplnej i wyporu. Konwekcja może również zachodzić w miękkich ciałach stałych lub mieszaninach, w których mogą płynąć cząstki.

Przepływu konwekcyjnego może być przejściowe (np kiedy wielofazową mieszaninę z oleju i wody oddziela) lub stanu równowagi (patrz komórki konwekcyjne ). Konwekcja może być spowodowana grawitacyjnymi , elektromagnetycznymi lub fikcyjnymi siłami ciała. Przenoszenie ciepła przez konwekcję naturalną odgrywa rolę w strukturze atmosfery Ziemi , jej oceanów i płaszcza . Odrębne komórki konwekcyjne w atmosferze można rozpoznać po chmurach , przy czym silniejsza konwekcja prowadzi do burz z piorunami . Konwekcja naturalna również odgrywa rolę w fizyce gwiazd . Konwekcja jest często klasyfikowana lub opisywana przez główny efekt powodujący przepływ konwekcyjny, np. konwekcja cieplna.

Obraz termiczny nowo zapalonego kotła Ghillie . Widoczna jest smuga gorącego powietrza powstająca z prądu konwekcyjnego.

Konwekcja nie może zachodzić w większości ciał stałych, ponieważ nie może zachodzić ani przepływ prądu masowego, ani znaczna dyfuzja materii.

Terminologia

Słowo konwekcja ma różne, ale powiązane zastosowania w różnych kontekstach lub zastosowaniach naukowych lub inżynierskich. Szerszy sens jest w mechanice płynów , gdzie konwekcja odnosi się do ruchu płynu napędzanego różnicą gęstości (lub innej właściwości).

W termodynamice „konwekcja” często odnosi się do wymiany ciepła przez konwekcję , gdzie przedrostkiem wariant Konwekcja naturalna jest używany do odróżnienia koncepcji mechaniki płynów konwekcji (omówionej w tym artykule) od konwekcji wymiany ciepła.

Niektóre zjawiska, które dają efekt powierzchownie podobny do działania komórki konwekcyjnej, można również (nieściśle) nazwać formą konwekcji, np. konwekcja termokapilarna i konwekcja granularna .

Przykłady i zastosowania

Konwekcja zachodzi na dużą skalę w atmosferach , oceanach, płaszczach planet i zapewnia mechanizm wymiany ciepła dla dużej części najbardziej zewnętrznych wnętrz naszego Słońca i wszystkich gwiazd. Ruch płynu podczas konwekcji może być niewidocznie powolny lub może być wyraźny i szybki, jak podczas huraganu . W skali astronomicznej uważa się, że konwekcja gazu i pyłu zachodzi w dyskach akrecyjnych czarnych dziur z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła.

Eksperymenty demonstracyjne

Konwekcję cieplną w cieczach można zademonstrować umieszczając źródło ciepła (np. palnik Bunsena ) z boku pojemnika z cieczą. Dodanie barwnika do wody (np. barwnika spożywczego) umożliwi wizualizację przepływu.

Inny powszechny eksperyment demonstrujący konwekcję termiczną w cieczach polega na zanurzeniu otwartych pojemników z ciepłą i zimną cieczą zabarwioną barwnikiem do dużego pojemnika z tą samą cieczą bez barwnika w średniej temperaturze (np. słoik z gorącą wodą z kranu zabarwiony na czerwono, słoik z woda schłodzona w lodówce w kolorze niebieskim, zanurzona w przezroczystym zbiorniku wody o temperaturze pokojowej).

Trzecie podejście to użycie dwóch identycznych słoików, jednego wypełnionego gorącą wodą zabarwioną na jeden kolor i zimnej wody innego koloru. Jeden słoik jest następnie tymczasowo zamykany (np. kawałkiem kartonu), odwracany i umieszczany na drugim. Po wyjęciu karty, jeśli słoik zawierający cieplejszy płyn zostanie umieszczony na górze, konwekcja nie wystąpi. Jeśli słoik z zimniejszą cieczą zostanie umieszczony na wierzchu, prąd konwekcyjny utworzy się samoistnie.

Konwekcję w gazach można zademonstrować za pomocą świecy w zamkniętej przestrzeni z otworem wlotowym i wylotowym. Ciepło ze świecy spowoduje silny prąd konwekcyjny, który można zademonstrować za pomocą wskaźnika przepływu, takiego jak dym z innej świecy, uwalnianego odpowiednio w pobliżu obszarów wlotowych i wylotowych.

Podwójna konwekcja dyfuzyjna

Ogniwa konwekcyjne

Komórki konwekcyjne w polu grawitacyjnym

Komórka konwekcyjna , znana również jako komórka Bénarda , jest charakterystycznym wzorcem przepływu płynu w wielu systemach konwekcyjnych. Wznoszący się płyn zazwyczaj traci ciepło, ponieważ napotyka zimniejszą powierzchnię. W cieczy dzieje się tak, ponieważ następuje wymiana ciepła z zimniejszą cieczą poprzez wymianę bezpośrednią. Na przykładzie atmosfery ziemskiej dzieje się tak, ponieważ promieniuje ona ciepłem. Z powodu tej utraty ciepła płyn staje się gęstszy niż płyn pod nim, który wciąż się podnosi. Ponieważ nie może zejść przez wznoszący się płyn, przesuwa się w jedną stronę. W pewnej odległości jego siła skierowana w dół pokonuje siłę rosnącą pod nim i płyn zaczyna opadać. Gdy schodzi, ponownie się ogrzewa i cykl się powtarza.

Konwekcja atmosferyczna

Cyrkulacja atmosferyczna

Wyidealizowany obraz globalnego obiegu na Ziemi

Cyrkulacja atmosferyczna to wielkoskalowy ruch powietrza, który jest środkiem rozprowadzania energii cieplnej na powierzchni Ziemi wraz ze znacznie wolniejszym (opóźnionym) systemem cyrkulacji oceanicznej. Wielkoskalowa struktura cyrkulacji atmosferycznej zmienia się z roku na rok, ale podstawowa struktura klimatyczna pozostaje dość stała.

Cyrkulacja równoleżnikowa występuje, ponieważ padające promieniowanie słoneczne na jednostkę powierzchni jest największe na równiku cieplnym i maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej , osiągając minima na biegunach. Składa się on z dwóch głównych komórkach konwekcyjnych, The komórka hadleya a wir polarny , przy czym komórka hadleya doświadcza silniejsze konwekcję w wyniku uwolnienie utajonego ciepła energii przez kondensację z pary wodnej w temperaturze wyższej wysokości podczas tworzenia chmury.

Z drugiej strony, cyrkulacja wzdłużna ma miejsce, ponieważ ocean ma wyższą pojemność cieplną właściwą niż ląd (a także przewodność cieplną , pozwalającą ciepłu wnikać głębiej pod powierzchnię), a tym samym pochłania i oddaje więcej ciepła , ale temperatura zmienia się mniej niż ziemia. W ten sposób bryza morska, powietrze chłodzone wodą, w ciągu dnia trafia na brzeg, a bryza lądowa, schłodzone przez kontakt z ziemią, przenosi się na morze w nocy. Krążenie wzdłużne składa się z dwóch komórek, krążenia Walkera i El Niño / Oscylacji Południowej .

Pogoda

Jak powstaje Foehn

Niektóre bardziej lokalne zjawiska niż globalne ruchy atmosferyczne są również spowodowane konwekcją, w tym wiatrem i niektórymi cyklami hydrologicznymi . Na przykład wiatr fenowy to wiatr opadający w dół, który występuje po zawietrznej stronie pasma górskiego. Wynika to z adiabatycznego ocieplenia powietrza, które upuściło większość swojej wilgoci na zboczach nawietrznych. Ze względu na różne szybkości adiabatycznego upływu powietrza wilgotnego i suchego, powietrze na zboczach zawietrznych staje się cieplejsze niż na tej samej wysokości na zboczach nawietrznych.

Kolumna cieplna (lub temperatury) jest w przekroju pionowym wznoszącego się powietrza, w niższych wysokościach atmosfery ziemskiej. Termy powstają w wyniku nierównomiernego nagrzewania powierzchni Ziemi przez promieniowanie słoneczne. Słońce ogrzewa ziemię, która z kolei ogrzewa powietrze bezpośrednio nad nią. Powietrze cieplejsze rozszerza się, stając się mniej gęste niż otaczająca masa powietrza i tworząc niżu termiczne . Masa lżejszego powietrza unosi się i jednocześnie ochładza się przez rozprężanie przy niższym ciśnieniu powietrza. Przestaje rosnąć, gdy ostygnie do tej samej temperatury, co otaczające powietrze. Z termiką związany jest przepływ w dół otaczający kolumnę termiczną. Ruch zewnętrzny w dół jest spowodowany przemieszczaniem się zimniejszego powietrza w górnej części komina. Innym efektem pogodowym związanym z konwekcją jest bryza morska .

Etapy życia burzy.

Ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość niż powietrze chłodne, więc ciepłe powietrze unosi się w chłodniejszym powietrzu, podobnie jak balony na ogrzane powietrze . Chmury tworzą się, gdy stosunkowo cieplejsze powietrze niosące wilgoć unosi się w chłodniejszym powietrzu. Gdy wilgotne powietrze unosi się, ochładza się, powodując kondensację części pary wodnej z unoszącego się pakietu powietrza . Kiedy wilgoć się skrapla, uwalnia energię znaną jako utajone ciepło kondensacji, które pozwala wznoszącemu się pakietowi powietrza ochłodzić się mniej niż otaczające go powietrze, kontynuując wznoszenie się chmury. Jeśli atmosfera jest wystarczająco niestabilna , proces ten będzie trwał wystarczająco długo, aby uformowały się chmury cumulonimbus , które wspierają błyskawice i grzmoty. Ogólnie rzecz biorąc, burze wymagają trzech warunków do powstania: wilgoci, niestabilnej masy powietrza i siły nośnej (ciepła).

Wszystkie burze , niezależnie od typu, przejść przez trzy etapy: opracowanie sceniczne The dojrzałym stadium , a na scenie rozpraszanie . Przeciętna burza ma średnicę 24 km (15 mil). W zależności od warunków panujących w atmosferze przejście tych trzech etapów zajmuje średnio 30 minut.

Cyrkulacja oceaniczna

prądy oceaniczne

Promieniowanie słoneczne wpływa na oceany: ciepła woda z równika ma tendencję do cyrkulacji w kierunku biegunów , podczas gdy zimna woda polarna kieruje się w stronę równika. Prądy powierzchniowe są początkowo podyktowane warunkami wiatru powierzchniowego. Te wiatry wiać w kierunku zachodnim w tropikach, a westerlies dmuchać na wschód, na średnich szerokościach geograficznych. Ten wzór wiatru powoduje naprężenia na subtropikalnej powierzchni oceanu z ujemnym zwijaniem się na półkuli północnej i odwrotnie na półkuli południowej . Powstały transport Sverdrup jest w kierunku równika. Ze względu na zachowanie potencjalnej wirowości powodowanej przez wiatry poruszające się w kierunku bieguna na zachodnich obrzeżach podzwrotnikowego grzbietu oraz zwiększoną względną wirowość wody poruszającej się w kierunku bieguna, transport jest równoważony przez wąski, przyspieszający prąd w kierunku bieguna, który płynie wzdłuż zachodniej granicy basen oceaniczny, przewyższający skutki tarcia zimnego prądu granicznego zachodniej, który pochodzi z dużych szerokości geograficznych. Cały proces, znany jako intensyfikacja zachodnia, powoduje, że prądy na zachodniej granicy basenu oceanicznego są silniejsze niż te na granicy wschodniej.

W miarę przemieszczania się w kierunku bieguna ciepła woda transportowana silnym strumieniem ciepłej wody podlega chłodzeniu przez parowanie. Chłodzenie jest napędzane wiatrem: wiatr poruszający się nad wodą chłodzi wodę, a także powoduje jej parowanie , pozostawiając bardziej słoną solankę. W tym procesie woda staje się bardziej słona i gęstsza. i obniża się temperatura. Gdy tworzy się lód morski, sole są usuwane z lodu, proces znany jako wykluczenie solanki. Te dwa procesy wytwarzają wodę, która jest gęstsza i zimniejsza. Woda w północnym Atlantyku staje się tak gęsta, że ​​zaczyna tonąć w mniej słonej i mniej gęstej wodzie. (Ta konwekcja na otwartym oceanie jest podobna do tej z lampy lawowej .) Ten prąd zstępujący ciężkiej, zimnej i gęstej wody staje się częścią Głębokiej Wody Północnoatlantyckiej, strumienia płynącego na południe.

Konwekcja płaszcza

Oceanicznym płytki dodaje się przez upwellingu (po lewej) i wykorzystane w subdukcji strefy (po prawej).

Konwekcja płaszcza to powolny ruch pełzający skalistego płaszcza Ziemi spowodowany przez prądy konwekcyjne przenoszące ciepło z wnętrza Ziemi na powierzchnię. Jest to jedna z 3 sił napędowych, które powodują, że płyty tektoniczne poruszają się po powierzchni Ziemi.

Powierzchnia Ziemi jest podzielona na szereg płyt tektonicznych , które są stale tworzone i zużywane na ich przeciwległych granicach. Tworzenie ( narastanie ) następuje w miarę dodawania płaszcza do rosnących krawędzi płyty. Ten dodany na gorąco materiał schładza się przez przewodzenie i konwekcję ciepła. Na krawędziach zużywających się płyty materiał skurczył się termicznie, aby stać się gęsty i opada pod własnym ciężarem w procesie subdukcji w rowie oceanicznym. Ta subdukowana materia opada na pewną głębokość we wnętrzu Ziemi, gdzie nie wolno jej dalej tonąć. Subdukowana skorupa oceaniczna wyzwala wulkanizm.

Efekt stosu

Efekt stos lub efekt kominowy jest przepływ powietrza do i na zewnątrz budynków, kominów, kominów gazowych spalin lub innych pojemników z powodu siły wyporu. Wyporność wynika z różnicy w gęstości powietrza wewnątrz i na zewnątrz, wynikającej z różnic temperatury i wilgotności. Im większa różnica cieplna i wysokość konstrukcji, tym większa siła wyporu, a tym samym efekt stosu. Efekt kominowy wspomaga naturalną wentylację i infiltrację. Niektóre wieże chłodnicze działają na tej zasadzie; podobnie słoneczna wieża z prądem wstępującym jest proponowanym urządzeniem do generowania energii elektrycznej w oparciu o efekt kominowy .

Fizyka gwiazd

Ilustracja budowy Słońca i czerwonego olbrzyma , pokazująca ich strefy konwekcyjne. Są to strefy ziarniste w zewnętrznych warstwach tych gwiazd.

Strefa konwekcji gwiazdy to zakres promieni, w których energia jest transportowana głównie przez konwekcję.

Granulki na fotosferze Słońca to widoczne wierzchołki komórek konwekcyjnych w fotosferze, spowodowane konwekcją plazmy w fotosferze. Wznosząca się część granulek znajduje się w centrum, gdzie plazma jest gorętsza. Zewnętrzna krawędź granulek jest ciemniejsza z powodu chłodniejszej opadającej plazmy. Typowa granulka ma średnicę rzędu 1000 kilometrów i każda trwa od 8 do 20 minut przed rozproszeniem. Pod fotosferą znajduje się warstwa znacznie większych „supergranulek” o średnicy do 30 000 kilometrów, o żywotności dochodzącej do 24 godzin.

Mechanizmy

Konwekcja może zachodzić w płynach we wszystkich skalach większych niż kilka atomów. Istnieje wiele okoliczności, w których powstają siły wymagane do konwekcji, co prowadzi do różnych typów konwekcji, opisanych poniżej. Ogólnie rzecz biorąc, konwekcja powstaje z powodu sił działających w płynie, takich jak grawitacja.

Naturalna konwekcja

Ten kolorowy obraz schlieren ujawnia konwekcję cieplną pochodzącą z przewodzenia ciepła od ludzkiej dłoni (w sylwetce) do otaczającej nieruchomej atmosfery.

Konwekcja naturalna , czyli konwekcja swobodna , zachodzi w wyniku różnic temperatur, które wpływają na gęstość, a tym samym względną wyporność płynu. Cięższe (gęstsze) składniki opadają, podczas gdy lżejsze (mniej gęste) składniki unoszą się, co prowadzi do ruchu masowego płynu. Konwekcja naturalna może więc zachodzić tylko w polu grawitacyjnym. Typowym przykładem konwekcji naturalnej jest unoszenie się dymu z ognia. Można to zobaczyć w garnku z wrzącą wodą, w którym gorąca i mniej gęsta woda na dolnej warstwie porusza się w górę w pióropuszach, a chłodna i gęstsza woda w górnej części garnka również opada.

Naturalna konwekcja będzie bardziej prawdopodobna i szybsza przy większej zmienności gęstości między dwoma płynami, większym przyspieszeniu z powodu grawitacji, która napędza konwekcję lub większej odległości przez ośrodek konwekcyjny. Naturalna konwekcja będzie mniej prawdopodobna i mniej szybka przy szybszej dyfuzji (tym samym rozpraszając gradient termiczny, który powoduje konwekcję) lub bardziej lepkim (lepkim) płynie.

Początek naturalnej konwekcji można określić za pomocą liczby Rayleigha ( Ra ).

Należy zauważyć, że różnice wyporu w płynie mogą wynikać z przyczyn innych niż zmiany temperatury, w którym to przypadku ruch płynu nazywany jest konwekcją grawitacyjną (patrz poniżej). Jednak wszystkie rodzaje konwekcji wyporu, w tym konwekcja naturalna, nie występują w środowiskach mikrograwitacyjnych . Wszystkie wymagają obecności środowiska, w którym występuje siła g ( odpowiednie przyspieszenie ).

Konwekcja grawitacyjna lub wyporu

Konwekcja grawitacyjna to rodzaj naturalnej konwekcji wywołanej zmianami wyporu wynikającymi z właściwości materiału innych niż temperatura. Zazwyczaj jest to spowodowane zmiennym składem płynu. Jeśli zmienną właściwością jest gradient stężenia, nazywa się to konwekcją solutną . Na przykład konwekcję grawitacyjną można zaobserwować w dyfuzji źródła suchej soli w dół do mokrej gleby z powodu wyporu słodkiej wody w soli fizjologicznej.

Zmienne zasolenie wody i zmienna zawartość wody w masach powietrza są częstymi przyczynami konwekcji w oceanach i atmosferze, która nie wiąże się z ciepłem lub wiąże się z dodatkowymi czynnikami gęstości składowej innymi niż zmiany gęstości wynikające z rozszerzalności cieplnej (patrz cyrkulacja termohalinowa ). Podobnie, zmienny skład we wnętrzu Ziemi, który nie osiągnął jeszcze maksymalnej stabilności i minimalnej energii (innymi słowy, z najgęstszymi partiami najgłębszymi) nadal powoduje ułamek konwekcji płynnych skał i stopionego metalu we wnętrzu Ziemi (patrz poniżej). .

Konwekcja grawitacyjna, podobnie jak naturalna konwekcja termiczna, również wymaga do zaistnienia środowiska siły grawitacji .

Konwekcja ciała stałego w lodzie

Uważa się, że konwekcja lodu na Plutonie zachodzi w miękkiej mieszaninie lodu azotowego i lodu z tlenkiem węgla . Został również zaproponowany dla Europy i innych ciał w zewnętrznym Układzie Słonecznym.

Konwekcja termomagnetyczna

Konwekcja termomagnetyczna może wystąpić, gdy na ferrofluid o zmiennej podatności magnetycznej zostanie przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne . W obecności gradientu temperatury powoduje to powstanie niejednorodnej siły magnetycznej ciała, co prowadzi do ruchu płynu. Ferrofluid to ciecz, która ulega silnemu namagnesowaniu w obecności pola magnetycznego .

Spalanie

W środowisku o zerowej grawitacji nie mogą występować siły wyporu, a tym samym konwekcja, więc płomienie w wielu przypadkach bez grawitacji tłumią się we własnych gazach odlotowych. Rozszerzalność cieplna i reakcje chemiczne powodujące rozszerzanie i kurczenie się gazów umożliwiają wentylację płomienia, ponieważ gazy odlotowe są zastępowane chłodnym, świeżym, bogatym w tlen gazem. przemieszcza się, aby zająć strefy niskiego ciśnienia powstałe w wyniku kondensacji wody spalinowej z płomienia.

Matematyczne modele konwekcji

Wiele terminów bezwymiarowych zostały wyprowadzone opisać i przewidzieć konwekcję, w tym liczby Archimedesa , liczby Grashof , liczba Richardsona oraz liczby Rayleigha .

W przypadku konwekcji mieszanej (naturalnej i wymuszonej występującej razem) często chcielibyśmy wiedzieć, ile konwekcji wynika z ograniczeń zewnętrznych, takich jak prędkość płynu w pompie, a ile z konwekcji naturalnej występującej w układzie .

Względne wielkości liczby Grashof i kwadrat liczby Reynoldsa określają, która forma konwekcji dominuje. Jeśli , konwekcja wymuszona może zostać pominięta, natomiast jeśli , konwekcja naturalna może zostać pominięta. Jeśli stosunek, znany jako liczba Richardsona , wynosi w przybliżeniu jeden, wówczas należy wziąć pod uwagę zarówno konwekcję wymuszoną, jak i naturalną.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki