Конвекция в природе и технике
⚡ Физика · 8 класс
Что такое конвекция
Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится самими потоками (струями) жидкости или газа. В отличие от теплопроводности, здесь перемещается вместе с энергией и само вещество. Поэтому конвекция возможна только в жидкостях и газах и невозможна в твёрдых телах, где частицы прочно связаны и не могут перемещаться слоями. Конвекция, теплопроводность и излучение — три основных способа передачи внутренней энергии от более нагретых тел к менее нагретым.
Почему возникают потоки
При нагревании жидкость или газ расширяется, его плотность уменьшается, и более лёгкие тёплые слои всплывают вверх. На их место опускаются холодные плотные слои. Так возникает круговое движение — конвекционный поток. Именно поэтому нагреватель в опытах ставят снизу, а охладитель — сверху. Если же нагревать жидкость сверху, верхний слой останется на месте, и конвекция не начнётся: тёплая жидкость и так уже находится наверху.
Силой, поднимающей тёплые слои, является архимедова (выталкивающая) сила. Поэтому в невесомости, где выталкивающая сила не действует, естественная конвекция не возникает, и нагрев происходит гораздо медленнее.
Два вида конвекции
| Признак | Естественная конвекция | Вынужденная конвекция |
|---|---|---|
| Причина движения | Разность плотностей при нагреве | Насос, вентилятор, ветер |
| Пример | Тяга в печи, бриз, отопление | Фен, система охлаждения двигателя |
| Скорость переноса | Обычно небольшая | Можно сделать большой |
Конвекция в природе
- Ветры. Воздух над нагретой сушей поднимается, а с моря приходит холодный — так возникает дневной бриз. Ночью суша остывает быстрее моря, и направление бриза меняется на обратное.
- Течения в океане. Тёплые и холодные водные массы перемешиваются, перенося энергию между экватором и полюсами и смягчая климат.
- Тяга в дымоходе. Горячие продукты горения уходят вверх, втягивая снизу свежий воздух с кислородом, поддерживающим горение.
Конвекция в технике
На конвекции основано водяное отопление домов: батареи ставят внизу комнаты, нагретый ими воздух поднимается, отдаёт энергию стенам и потолку и опускается охлаждённым. Холодильник, наоборот, имеет морозильную камеру сверху, чтобы холодный плотный воздух опускался вниз и охлаждал нижние полки.
Разберём схему дневного бриза:
суша нагрелась → тёплый воздух всплыл → внизу понизилось давление → с моря подул прохладный ветер (бриз)
Частые ошибки. Нельзя путать конвекцию и теплопроводность: при теплопроводности вещество остаётся на месте, а при конвекции оно течёт. Также неверно ждать естественную конвекцию в твёрдом теле или в невесомости, где нет выталкивающей силы. Нагревать жидкость для опыта по конвекции нужно снизу, а не сверху.
Кратко о главном
- Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа вместе с веществом.
- Тёплые слои всплывают, холодные опускаются из-за разности плотностей.
- Поднимает потоки выталкивающая (архимедова) сила.
- Бывает естественная и вынужденная.
- Объясняет ветры, течения, отопление и тягу в печах.
- В твёрдых телах и в невесомости естественной конвекции нет.