Konvekcijske struje i kako djeluju

Konvekcijske struje su tekuća tekućina koja se kreće jer postoji razlika u temperaturi ili gustoći unutar materijala.

Kako su čestice unutar krute tvari fiksirane na svom mjestu, konvekcijske struje vide se samo u plinovima i tekućinama. Temperaturna razlika dovodi do prijenosa energije iz područja više energije na neku nižu energiju.

Konvekcija je a prijenos topline postupak. Kad se proizvode struje, materija se premješta s jednog mjesta na drugo. Dakle, ovo je također proces masovnog prijenosa.

Konvekcija koja se javlja prirodno naziva se prirodna konvekcija ili slobodna konvekcija. Ako cirkulira tekućina pomoću ventilatora ili pumpe, to se zove prisilna konvekcija. Stanica nastala konvekcijskim strujama naziva se a konvekcijska ćelija ili Bénardova ćelija.

Temperaturna razlika uzrokuje pomicanje čestica, stvarajući struju. U plinovima i plazmi temperaturna razlika također dovodi do područja veće i niže gustoće, gdje se atomi i molekule kreću da bi popunili područja niskog tlaka.

Ukratko, vruća tekućina raste dok hladna tekućina tone. Ako nije prisutan izvor energije (npr. Sunčeva svjetlost, toplina), konvekcijske struje nastavljaju se sve dok se ne postigne jednolika temperatura.

Znanstvenici analiziraju sile koje djeluju na fluid da bi kategorizirali i razumjeli konvekciju. Te snage mogu uključivati:

• Gravitacija
• Površinska napetost
• Razlike koncentracije
• Elektromagnetska polja
• Vibracije
• Stvaranje veza između molekula

Konvekcijske struje mogu se modelirati i opisati pomoću konvekcijskih-difuzija jednadžbe, koje su skalarne jednadžbe transporta.

• Možete primijetiti konvekcijske struje u vodi ključanje u loncu. Jednostavno dodajte nekoliko graška ili komadića papira da biste pratili trenutni protok. Izvor topline na dnu posude zagrijava vodu, dajući joj više energije i uzrokuje brže kretanje molekula. Promjena temperature utječe i na gustoću vode. Kako se voda diže prema površini, neki od njih imaju dovoljno energije da pobjegnu kao para. Isparavanje hladi površinu dovoljno da neke molekule ponovno potonu prema dnu posude.
• Jednostavni primjer konvekcijskih struja je topli zrak koji se uzdiže do stropa ili potkrovlja kuće. Topli zrak je manje gust od hladnog zraka, pa se diže.
• Vjetar je primjer konvekcijske struje. Sunčeva ili odbijena svjetlost zrače toplinu, postavljajući temperaturnu razliku koja uzrokuje pomicanje zraka. Sjenovita ili vlažna područja hladnija su ili mogu apsorbirati toplinu, što doprinosi efektu. Konvekcijske struje dio su onoga što pokreće globalnu cirkulaciju Zemljine atmosfere.
• sagorijevanje stvara konvekcijske struje. Izuzetak je da izgaranje u okruženju nulte gravitacije nema plovidnost, pa se vrući plinovi prirodno ne povećavaju, omogućujući svježem kisiku da napaja plamen. Minimalna konvekcija u nuli-g uzrokuje da se mnogi plamenovi uguše u vlastitim proizvodima izgaranja.
• Atmosferska i oceanska cirkulacija su kretanje zraka i vode u velikoj mjeri (hidrosfere). Dva procesa djeluju zajedno. Konvekcijske struje u zraku i moru dovode do vrijeme.
• Magma se u Zemljinom plaštu kreće u konvekcijskim strujama. Vruća jezgra zagrijava materijal iznad nje, uzrokujući da se podigne prema kore, gdje se hladi. Toplina dolazi od snažnog pritiska na stijenu, u kombinaciji s energijom koja se oslobađa iz prirodne radioaktivno propadanje elemenata. Magma se ne može nastaviti ustajati, pa se kreće vodoravno i tone prema dolje.
• Učinak dimnjaka ili dimnjak opisuje konvekcijske struje koje se kreću plinovima kroz dimnjake ili dimnjake. Uzgon zraka unutar i izvan zgrade uvijek je različit zbog temperaturnih i vlažnih razlika. Povećavanje visine zgrade ili gomile povećava veličinu učinka. To je princip na kojem se temelje rashladni tornjevi.
• Na suncu su vidljive konvekcijske struje. Granule koje se vide u sunčevoj fotosferi vrhovi su konvekcijskih stanica. U slučaju sunca i drugih zvijezda, tekućina je plazma, a ne tekućina ili plin.