Konvektionsströmmar och hur de fungerar

Konvektionsströmmar är flytande vätska som rör sig eftersom det finns en temperatur- eller densitetsskillnad i materialet.

Eftersom partiklar i ett fast ämne är fixerade på plats ses konvektionsströmmar endast i gaser och vätskor. En temperaturskillnad leder till en energiöverföring från ett område med högre energi till ett med lägre energi.

Konvektion är en värmeöverföring bearbeta. När strömmar produceras flyttas materien från en plats till en annan. Så detta är också en massöverföringsprocess.

Konvektion som sker naturligt kallas naturlig konvektion eller fri konvektion. Om en vätska cirkuleras med hjälp av en fläkt eller en pump, heter den tvingad konvektion. Cellen som bildas av konvektionsströmmar kallas a konvektionscell eller Bénardcell.

En temperaturskillnad får partiklar att röra sig, vilket skapar en ström. I gaser och plasma leder en temperaturskillnad också till områden med högre och lägre densitet, där atomer och molekyler flyttar för att fylla i områden med lågt tryck.

Kort sagt, heta vätskor stiger medan kalla vätskor sjunker. Om inte en energikälla finns (t.ex. solljus, värme), fortsätter konvektionsströmmar endast tills en enhetlig temperatur uppnås.

Forskare analyserar krafterna som verkar på en vätska för att kategorisera och förstå konvektion. Dessa krafter kan inkludera:

• Allvar
• Ytspänning
• Koncentrationsskillnader
• Elektromagnetiska fält
• vibrationer
• Bindning mellan molekyler

Konvektionsströmmar kan modelleras och beskrivas med konvektions-diffusion ekvationer, som är skalära transportekvationer.

• Du kan observera konvektionsströmmar i vatten kokande i en kruka. Tillsätt bara några ärter eller pappersbitar för att spåra det nuvarande flödet. Värmekällan längst ner i pannan värmer upp vattnet, vilket ger det mer energi och får molekylerna att röra sig snabbare. Temperaturförändringen påverkar också vattentätheten. När vattnet stiger upp mot ytan har en del av det tillräckligt med energi för att komma ut som ånga. Indunstning kyler ytan tillräckligt för att få vissa molekyler att sjunka tillbaka mot botten av pannan igen.
• Ett enkelt exempel på konvektionsströmmar är varm luft som stiger mot ett hus eller taket. Varm luft är mindre tät än sval luft, så den stiger.
• Vind är ett exempel på en konvektionsström. Solljus eller reflekterat ljus strålar ut värme och ställer in en temperaturskillnad som får luften att röra sig. Skuggiga eller fuktiga områden är svalare eller kan absorbera värme, vilket ökar effekten. Konvektionsströmmar är en del av det som driver den globala cirkulationen av jordens atmosfär.
• Förbränning genererar konvektionsströmmar. Undantaget är att förbränning i en tyngdkraftsmiljö saknar flytkraft, så att heta gaser inte naturligt stiger, vilket tillåter färskt syre att mata lågan. Den minimala konvektionen i noll-g får många lågor att kväva sig i sina egna förbränningsprodukter.
• Atmosfärisk och oceanisk cirkulation är den storskaliga rörelsen av luft respektive vatten (hydrosfären). De två processerna fungerar tillsammans med varandra. Konvektionsströmmar i luften och havet leder till väder.
• Magma i jordens mantel rör sig i konvektionsströmmar. Den heta kärnan värmer upp materialet ovanför, vilket gör att det stiger mot jordskorpan, där det svalnar. Värmen kommer från det intensiva trycket på berget, i kombination med den energi som frigörs från det naturliga radioaktivt avfall av element. Magmaen kan inte fortsätta att stiga, så den rör sig horisontellt och sjunker neråt.
• Stackeffekten eller skorsteneffekten beskriver konvektionsströmmar som rör gaser genom skorstenar eller rör. Flygen i luft inom och utanför en byggnad är alltid olika på grund av skillnader i temperatur och fuktighet. Genom att höja byggnadens eller stackens höjd ökar effekten. Detta är principen som kyltorn bygger på.
• Konvektionsströmmar är tydliga i solen. De granuler som ses i solens fotosfär är konvektionscellens toppar. När det gäller solen och andra stjärnor är vätskan plasma snarare än en vätska eller gas.