Конвекция

Наверное, видели, что если чашку горячего чая оставить на столе надолго, то он остывает. Это связано с потерями тепла в окружающую среду. В результате перенос тепла описывается как передача тепла или тепловой энергии от одной физической системы к другой. Следовательно, когда два тела имеют разность температур, тепло передается от более горячего тела к более холодному. Теплопроводность, конвекция и излучение являются тремя наиболее распространенными способами передачи тепла. В этом посте мы поговорим о передаче тепла конвекцией.

Конвекция

The action of heat transmission through movement of major number of molecules inside fluids such as gases and liquids is known as convection.

Первоначальная теплопередача между предметом и жидкостью происходит за счет теплопроводности, но основная часть теплопередачи происходит из-за движения жидкости.

Твердые тела не испытывают конвекции, потому что их основные частицы не движутся. Процесс диффузии тепла в твердых телах известен как теплопроводность. В нормальных условиях газы и жидкости являются плохими проводниками тепла, однако они могут быстро переносить тепло за счет конвекции.

Конвекционная теплопередача: как это работает?

Конвекция – это процесс теплообмена между твердым телом и жидкостью или жидкостью, находящейся в контакте с твердым телом. При передаче тепла от одной жидкости к другой через преграду существенную роль играет конвекция. Конвективный теплообмен происходит либо за счет термодиффузии (движения молекул жидкости), либо за счет адвекции, при которой тепло передается за счет объемного движения тепловых потоков в жидкости.

Тепловое расширение происходит при нагревании любой жидкости снизу. Плотность жидкости уменьшается в нижних слоях по мере того, как она нагревается. Более горячая и менее плотная часть жидкости поднимается из-за плавучести и замещается более плотной и холодной жидкостью. Когда эта часть нагревается, она также поднимается и замещается верхним более холодным слоем, и процесс повторяется. Таким образом, конвекция используется для передачи тепла.

Тип конвекции

Конвекцию можно разделить на два типа:

• Естественная конвекция
• Принудительная конвекция

Естественная конвекция: Когда возникает разница температур, это вызывает разницу в плотности, которая создает выталкивающую силу, и возникает конвекция. Этот процесс называется естественной конвекцией. Океанические ветры являются примером естественной конвекции.

Принудительная конвекция: возникает, когда для создания конвекции используется внешний источник, такой как насос или вентилятор. Использование водяных гейзеров или нагревателей для быстрого нагрева воды, а также использование вентиляторов в теплые летние дни являются примерами принудительной конвекции.

Закон охлаждения Ньютона

В обычных условиях конвекционная теплопередача пропорциональна разности температур между компонентами. Это явление было сформулировано законом охлаждения Ньютона, который гласит:

The rate of heat transmission from anybody to its surroundings by convection is related to temperature difference between them. The difference in temperature should be minimal, and the radiating surface’s nature should stay unchanged.

Закон охлаждения Ньютона связан с вынужденной конвекцией, которая записывается как:

P = dq⁄dt = hA(T_s-T_f)

where, P = dq⁄dt is the heat transfer rate, h is the heat-transfer coefficient of convection, A is the surface area of body which is exposed, T_s is the body temperature and T_f  is the fluid temperature.

The heat-transfer coefficient value depends on the various factors:

• Viscosity
• Density
• Specific heat capacity
• Thermal conductivity

Примеры конвекции

• Теплая вода движется к полюсам по мере приближения к экватору, тогда как более холодная вода движется к экватору.
• Теплокровные животные используют конвекцию для циркуляции крови, что помогает регулировать температуру их тела.
• Феномен морского и сухопутного ветра — один из наиболее распространенных примеров естественной конвекции.

Морской бриз: днем дует ветер с моря. И вода, и земля нагреваются солнцем. Поскольку у воды более высокая теплоемкость, чем у суши, она получает больше солнечной энергии, но нагревается значительно медленнее. В результате температура над землей повышается, нагревая воздух в окружающей среде.

Теплый воздух расширяется, потому что он менее плотный, в результате чего над сушей вдоль берега образуется область низкого давления. При этом вода находится под значительно более высоким давлением. Из-за разницы давлений в воздухе воздух течет с моря на сушу. В результате ощущается неожиданный порыв ветра, известный как морской бриз .

Land Breeze: Когда ситуация меняется ночью, возникают эти явления. Земля и море начинают холодеть, как закаты. Из-за различий в теплоемкости земля теряет тепло быстрее, чем вода. Соответственно, температура воды становится выше, что приводит к низкому атмосферному давлению. Это создает прохладный ветер у побережья, известный как наземный бриз.

Примеры проблем

Проблема 1: Какую роль играет конвекция в нашей повседневной жизни?

Отвечать:

In the following situations, convection is used:

• When water is heated to a certain temperature, the water molecules expand and circulate in the vicinity. As a result of the heat being transported to different sections of the pot, the cold water begins to sink while the heated water rises.
• The air within the hot air balloon is continuously heated, making it warmer. The balloon, like the warm air, rises.
• In the afternoon, the land near the sea is warmer than in the evening. By the concept of convection, heated air rises and is replaced by colder air. Similarly, the air near the water is warmer than the air near the coast at night. This happens because heated air rises and is replaced by cold air.

Проблема 2: Почему твердые материалы не испытывают конвекции?

Отвечать:

Convection is the process of heat transfer through movement of particles. Since, the solid particles do not move, convection is not possible in solid materials.

Проблема 3: Каковы процессы, посредством которых происходит конвекция?

Отвечать:

When transferring heat from one liquid to another through a barrier, convection is essential. Convectional heat transfer occurs either through thermal diffusion (fluid molecule motion) or advection, in which heat is transferred through the bulk motion of heat currents in the fluid.

Проблема 4: Что означает «свободная» или «естественная» конвекция?

Отвечать:

The mechanism of heat transmission is considered to be free or natural convection if the fluid motion is caused by a change in density caused by temperature gradients.

Проблема 5: Естественная или вынужденная конвекция, у которой выше коэффициент теплопередачи? В чем причина этого?

Отвечать:

Since the convection heat transfer coefficient is primarily determined by characteristics such as fluid density, velocity, and viscosity, it is generally larger in forced convection than in natural convection.