Какие виды конвекции существуют

Течение
жидкостей и газа
Ползущее течение
Ламинарное течение
Потенциальное течение
Отрыв течения
Вихрь
Неустойчивость
Турбулентность
Конвекция
Ударная волна
Сверхзвуковое течение

Конвекция (от лат. convectiō — «перенесение») — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.

Содержание

Виды конвекции [ править | править код ]

Естественная — нагревание/остывание жидкости, воздуха в комнате, воды в океане, устойчивые ветра (пассаты, муссоны).

Вынужденная — перемешивание жидкости или газа (мешалкой, ложкой, насосом, вентилятором).

Виды конвекции по причине появления [ править | править код ]

  • Термогравитационная конвекция — обычная, под действием разности температур в поле гравитации, из-за силы Архимеда
  • Ячейки Бенара
  • Термокапиллярная конвекция — под действием силы поверхностного натяжения
  • Концентрационная конвекция — под действием градиента концентрации растворённого вещества (осмос, см. также эффект Марангони)
  • Термомагнитная конвекция — в магнитных жидкостях под действием магнитного поля в поле гравитации
  • Гранулярная конвекция ( англ. ) — в сыпучих неоднородных средах
  • Термострессовая конвекция — под действием температурных напряжений
  • Термодинамическая конвекция — перенос теплоты потоком вещества, возникающих в поле сил тяжести при неравномерном нагреве газообразных, текучих или сыпучих веществ. [источник не указан 2563 дня]
  • Математическое описание [ править | править код ]

    Наиболее популярной моделью для описания конвекции в жидкостях и газах является приближение Буссинеска

    Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

    Что представляет собой?

    В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.

    Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

    Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

    Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел

    Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

    Возникновение понятия

    Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.

    Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда.

    Виды конвекции

    Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

    Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

    Конвекция в слоях земной коры

    Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще земной коры. Рассматривать земной шар можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

    Окружающими слоями для земного ядра выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

    Отличия конвекции от теплопроводности

    Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.

    Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

    Примеры явления

    Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

    Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

    На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.

    Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

    Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике

    Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

    • движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
    • образование и движение облаков;
    • процесс движения ветра, муссонов и бризов;
    • смещение тектонических земных плит;
    • процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

    Приготовление пищи

    Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.

    Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

    Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.

    Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!

    Читайте также:

    1. А это христианские летописи: «Слово о законе и благодати митрополита Иллариона». 1 страница
    2. Адгезия резины к металлокорду и ее сохранение
    3. Активные континентальные окраины, их типы и строение
    4. Билет 12
    5. Билет 19
    6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЧАСЫ — И ОПТИМИЗАЦИЯ ЗДОРОВЬЯ 2 страница
    7. Биологическое и социальное в природе человека – единство и противоречие
    8. БЫТЬ В АВАНГАРДЕ — САМАЯ ПОЧЕТНАЯ ПОЗИЦИЯ ДЛЯ ЛИДЕРА
    9. Васти: промывание ануса и нижней части кишечного тракта
    10. Ваш ребенок 19 страница
    11. Введение
    12. Вергилий

    Коэффициент теплопроводности при комнатной температуре.

    Порядок величины коэффициента теплопроводности для различных веществ.

    Материалы ,Вт/мкМатериалы ,Вт/мк
    Серебро458 (400)Железо1,85
    Медь384 (400)Кирпич красный0,77
    Алюминий209Шлаковая вата0,07
    Чугун63Пенопласт0,04
    Сталь углеродистая45 (50)Воздух0,0245
    Вода0,55Водород0,175 (0,2)
    Мазут0,116Углекислый газ0,015

    Конвекция-это 2 ой способ переноса тепла в пространстве.

    Конвекция— это перенос тепла в жидкостях и газах с неравномерным распределением температуры за счет движения макрочастиц.

    Перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества носит название конвективного теплопереноса, или просто конвекции.

    Теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела. Этот процесс получил специальное название конвективная теплоотдача (теплота отдается от жидкости к поверхности или наоборот)

    Но конвекции в чистом виде не существует она всегда сопровождается теплопроводностью, такой совместный перенос тепла называется конвективным теплообменом.

    Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота,— поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

    Теплопередача-это перенос тепла от одной жидкости к другой через разделяющую их твердую стенку.

    Виды_ движения жидкости. Различают вынужденную и естественную конвекцию. Движение называется вынужденным, если оно происходит за счет внешних сил, не связанных с процессом теплообмена. Например, за счет сообщения ей энергии насосом или вентилятором. Движение называется свободным, если оно определяется процессом теплообмена и происходит за счет разности плотностей нагретых и холодных макрочастиц жидкости.

    Режимы .движения, жидкости. Движение жидкости может быть установившимся и неустановившимся. Установившимся называется такое движение, при котором скорость во всех точках пространства, занятого жидкостью, не изменяется во времени. Если скорость потока изменяется во времени (по величине или направлению), то движение будет неустановившееся.

    Экспериментально установлено два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме все частицы жидкости движутся параллельно друг другу и ограждающим поверхностям. При турбулентном режиме частицы жидкости движутся хаотически, неупорядоченно. Наряду с направленным движением вдоль потока частицы могут двигаться поперек и навстречу потоку. При этом скорость жидкости непрерывно изменяется как н величине, так и по направлению.

    Выделение ламинарного и турбулентного режимов имеет большое значение, так как в зависимости от режима различным будет механизм переноса тепла в жидкости. При ламинарном режиме тепло в поперечном направлении потока переносится лишь путем теплопроводности, а при направлении потока переносится лишь путем теплопроводности, а при турбулентном, кроме того, и за счет турбулентных вихрей, или конвекции.

    Понятие пограничного слоя. Исследования показали, что в потоке вязкой жидкости, омывающем какое-либо тело, по мере приближения к его поверхности скорость уменьшается и на самой поверхности становит­ся равной нулю. Вывод о том, что скорость жидкости, лежащей на по­верхности тела, равна нулю, называется гипотезой прилипания. Она спра­ведлива до тех пор, пока жидкость можно рассматривать как сплошную среду.

    Пусть неограниченный поток жидкости движется вдоль плоской поверхности (рис). Скорость жидкости вдали от нее равна w0, а на самой поверхности согласно гипотезе прилипания равна нулю. Следовательно, около поверхности существует слой замороженной жидкости, называемый динамическим пограничным слоем, в котором скорость изменяется от 0 до …. Так как скорость в пограничном слое приближается к w0 асимптотически, то вводят следующее определение его толщины: толщиной динамического пограничного слоя называется расстояние от поверхности, на котором скорость отличается от w0 ,на определенную величину, обычно на 1%.

    По мере движения вдоль поверхности толщина пограничного слоя растет. Вначале образуется ламинарный пограничный слои, который с ростом толщины становится неустойчивым и разрушается, превращаясь в турбулентный пограничный слой. Однако и здесь, вблизи поверхности, сохраняется тонкий ламинарный подслой……., в котором жидкость движется ламинарно. На рис. показано изменение скорости в пределах ламинарного (сечение I) и турбулентного (сечение II) по

    Дата добавления: 2015-04-24 ; Просмотров: 3101 ; Нарушение авторских прав? ;

    Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

    Оцените статью
    Добавить комментарий