Конвекция

Физика > Конвекция

Конвекция – транспортировка тепла через микроскопическое движение жидкости (двигатель машины охлаждается водой из системы охлаждения).

Задача обучения

• Выявить механизмы конвекции при перемене состояния.

Основные пункты

• Конвекция обусловливается масштабным потоком вещества в жидкостях. Твердые не способны использовать конвекцию для переноса.
• Плавучими силами управляет естественная конвекция: горячий воздух поднимается, потому что с увеличением температуры уменьшается плотность.
• По эффективности конвекция способна превосходить проводимость. Воздух играет роль плохого проводника, зато – отличный изолятор.
• Конвекция часто возникает при смене состояния (испарение пота, таяние льда).

Термины

• Естественная конвекция – метод транспортировки тепла. Жидкость, сосредоточенная вокруг источника, получает тепло и теряет плотность, из-за чего поднимается.
• Положительный отзыв – обратная связь, где выходной сигнал усиливается положительным коэффициентом в каждом цикле.

Пример

Давайте используем конвекцию для воздуха сквозь стены дома. Большая часть конструкций лишены герметичности, поэтому воздух попадает сквозь двери, окна, трещины и т.д. Уходит примерно час на полное обновление воздуха. Возьмем дом размером 12м х 18м х 3м, а на замену воздуха уходит полчаса. Нужно вычислить теплоотдачу за единицу времени в ваттах, необходимых, чтобы нагреть холодный воздух на 10°C.

Для начала используем формулу: Q = mcΔT. Скорость теплопередачи – Q/t, где t – время обновления воздуха. ΔT составляет 10°C, но нам нужно выяснить значения для массы воздуха и его удельной теплоты, прежде чем вычислить Q. Теплоемкость воздуха – средневзвешенное значение удельных теплоемкостей азота и кислорода, где C = cp ≅ 1000 Дж/кг°C.

Определите массу воздуха из его плотности и заданного объема дома:

m = ρV = (1.29 кг/м³)(12 м × 18 м × 3 м) = 836 кг

Рассчитайте тепло, переданное от изменения температуры воздуха:

Q = McΔT = (836 кг) (1000 Дж/кг°С) (10 °С) = 8.36 × 106 Дж

Рассчитайте теплоотдачу от тепла Q и времени оборота t. Воздух перевернут в t = 0.500ч = 1800 с, поэтому теплота составляет fracQt = (8.36 × 10⁶ Дж)/1800 с = 4.64 кВт.

Конвекция

Конвекция – согласованное движение молекул внутри жидкостей. Конвекция массы не осуществима в твердых объектах, потому что в них не могут протекать объемные токи и ощутимая диффузия. Здесь диффузию тепла именуют теплопроводностью.

Обычно конвекция сложнее проводимости, но мы можем характеризовать ее и провести вычисления. Естественной конвекцией руководят плавучие силы: по мере роста температуры уменьшается плотность, и горячий воздух поднимается. Этот принцип можно применить для любых жидкостей.

Конвекция и изоляция

Воздух может использовать конвекцию для передачи тепла. Это плохой проводник, но отличный изолятор. На его характеристики будет влиять количество доступного пространства. Например, пустота между внутренней и внешней стенами дома – 9 см. Этого хватит, чтобы добиться от конвекции высокой эффективности. Изоляция исключит воздушный поток, поэтому снизится потеря тепла. Если же пустота занимает 1 см, то конвекция предотвращается и используют низкую проводимость воздуха. Животные пользуются мехом.

Конвекция и смена состояния

Конвекция часто сопровождает трансформацию. Так мы имеем возможность охлаждаться через потоотделение, даже если окружающая температура выше показателя в теле. Чтобы пот испарился, понадобится тепло кожи, но если не будет воздушного потока, то воздух насыщается, и испарение останавливается.

Возьмем пример с испарением воды в океане. Вместе с водой удаляется и тепло. Далее капельки конденсируются и создают облака, а атмосфера выделяет тепло. Таким образом, тепло из океана оказывается в атмосфере. Подобные схемы приводят к ураганам, штормам с молниями и даже вызывают град.

---