Konvekce - Convection

Tento obrázek ukazuje výpočet tepelné konvekce v zemském plášti . Barvy blíže červené jsou horké oblasti a barvy blíže modré jsou v teplých a studených oblastech. Horká, méně hustá spodní mezní vrstva posílá chocholy horkého materiálu nahoru a podobně se studený materiál shora pohybuje dolů.

Konvekce je jedno nebo vícefázový tok tekutiny , ke kterému dochází spontánně v důsledku kombinovaných účinků heterogenity vlastností materiálu a tělesných sil na tekutinu , nejčastěji hustoty a gravitace (viz vztlak ). Není -li příčina konvekce specifikována, lze předpokládat konvekci v důsledku účinků tepelné roztažnosti a vztlaku. Konvekce může také probíhat v měkkých pevných látkách nebo směsích, kde mohou částice proudit.

Konvekční proudění mohou být přechodné (například když vícefázová směs z oleje a vody odděluje), nebo stabilním stavu (viz Konvekční buňky ). Konvekce může být způsobena gravitačními , elektromagnetickými nebo fiktivními tělesnými silami. Přenos tepla přirozenou konvekcí hraje roli ve struktuře zemské atmosféry , jejích oceánů a jejího pláště . Diskrétní konvekční buňky v atmosféře lze identifikovat pomocí mraků , přičemž silnější proudění má za následek bouřky . Ve hvězdné fyzice hraje roli i přirozená konvekce . Konvekce je často kategorizována nebo popsána hlavním účinkem způsobujícím konvekční tok, např. Tepelná konvekce.

Tepelný obraz nově osvětlené konvice Ghillie . Je vidět oblak horkého vzduchu vyplývající z konvekčního proudu.

Konvekce nemůže probíhat ve většině pevných látek, protože nemůže dojít ani k hromadnému toku proudu, ani k významné difúzi hmoty.

Terminologie

Slovo konvekce má různá, ale související použití v různých vědeckých nebo technických kontextech nebo aplikacích. Širší smysl je v mechanice tekutin , kde konvekce označuje pohyb tekutiny poháněný rozdílem hustoty (nebo jiné vlastnosti).

V termodynamice „konvekce“ často označuje přenos tepla konvekcí , kde se používá předponovaná varianta Natural Convection k odlišení konceptu mechaniky tekutin od Convection (v tomto článku) od konvekčního přenosu tepla.

Některé jevy, jejichž výsledkem je povrchově podobný účinek jako u konvekčního článku, mohou být také (nepřesně) označovány jako forma konvekce, např. Termokapilární konvekce a granulární konvekce .

Příklady a aplikace

K proudění dochází ve velkém měřítku v atmosférách , oceánech, planetárních pláštích a poskytuje mechanismus přenosu tepla pro velkou část nejvzdálenějších interiérů našeho slunce a všech hvězd. Pohyb tekutiny během konvekce může být neviditelně pomalý, nebo může být zřejmý a rychlý, jako v hurikánu . V astronomických měřítcích se předpokládá, že k proudění plynu a prachu dochází v akrečních discích černých děr rychlostí, která se může blížit rychlosti světla.

Demonstrační experimenty

Tepelné proudění v kapalinách lze demonstrovat umístěním zdroje tepla (např. Bunsenova hořáku ) na stranu nádoby s kapalinou. Přidání barviva do vody (například potravinářské barvivo) umožní vizualizaci toku.

Další běžný experiment k prokázání tepelné konvekce v kapalinách zahrnuje ponoření otevřených nádob s horkou a studenou kapalinou obarvenou barvivem do velké nádoby se stejnou kapalinou bez barviva při střední teplotě (např. Sklenice horké vody z vodovodu zbarvená červeně, sklenice s voda chlazená v lednici modře zbarvená, spuštěná do čisté nádrže s vodou při pokojové teplotě).

Třetím přístupem je použít dvě stejné nádoby, jednu naplněnou horkou vodou obarvenou jednou barvou a studenou vodou jiné barvy. Jedna sklenice se poté dočasně uzavře (např. Kusem karty), převrátí a umístí na druhou. Když je karta vyjmuta, pokud je sklenice obsahující teplejší kapalinu umístěna nahoře, nedojde k žádnému proudění. Pokud je sklenice obsahující chladnější kapalinu umístěna nahoře, spontánně se vytvoří konvekční proud.

Konvekci v plynech lze demonstrovat pomocí svíčky v uzavřeném prostoru se vstupním a výfukovým portem. Teplo ze svíčky způsobí silný konvekční proud, který lze prokázat indikátorem toku, jako je kouř z jiné svíčky, který se uvolňuje v blízkosti vstupních a výfukových oblastí.

Dvojitá difúzní konvekce

Konvekční buňky

Konvekční buňky v gravitačním poli

Konvekce buněk , také známý jako Benard buňka , je průtoková charakteristika vzorek tekutiny v mnoha konvekční systémech. Stoupající těleso tekutiny obvykle ztrácí teplo, protože narazí na chladnější povrch. V kapalině k tomu dochází, protože výměnou tepla s chladnější kapalinou přímou výměnou. V příkladu zemské atmosféry k tomu dochází, protože vyzařuje teplo. Kvůli této tepelné ztrátě je tekutina hustší než tekutina pod ní, která stále stoupá. Protože nemůže sestoupit skrz stoupající tekutinu, pohybuje se na jednu stranu. V určité vzdálenosti jeho sestupná síla překonává stoupající sílu pod ním a tekutina začíná klesat. Při sestupu se opět otepluje a cyklus se opakuje.

Atmosférická konvekce

Atmosférická cirkulace

Idealizované zobrazení globálního oběhu na Zemi

Atmosférická cirkulace je pohyb vzduchu ve velkém měřítku a je prostředkem, kterým je tepelná energie distribuována na povrch Země spolu s mnohem pomalejším (zaostalým) oceánským cirkulačním systémem. Rozsáhlá struktura atmosférické cirkulace se rok od roku mění, ale základní klimatologická struktura zůstává poměrně konstantní.

K podélné cirkulaci dochází, protože dopadající sluneční záření na jednotku plochy je nejvyšší na tepelném rovníku a klesá se zvyšováním zeměpisné šířky , přičemž na pólech dosahuje minima. Skládá se ze dvou primárních konvekčními buněk, jejichž Hadley buněk a polární vírových , s Hadley buňky dochází k silnější proudění vzhledem k uvolňování skupenského tepla energie podle kondenzací z vodní páry ve vyšších nadmořských výškách v průběhu mraků.

Podélná cirkulace naopak vzniká, protože oceán má vyšší specifickou tepelnou kapacitu než pevnina (a také tepelnou vodivost , která umožňuje proniknutí tepla dále pod povrch), a tím absorbuje a uvolňuje více tepla , ale teplota se mění méně než země. To přináší mořský vánek, vzduchem chlazený vodou, na břeh ve dne a přenáší pozemský vánek, vzduchem chlazený kontaktem se zemí, v noci na moře. Podélná cirkulace se skládá ze dvou buněk, Walkerova cirkulace a El Niño / Jižní oscilace .

Počasí

Jak se vyrábí Foehn

Některé lokalizovanější jevy než globální atmosférický pohyb jsou také způsobeny konvekcí, včetně větru a některých hydrologických cyklů . Například vítr typu foehn je vítr ze svahu, který se vyskytuje na zadní straně pohoří. Je to důsledek adiabatického oteplování vzduchu, který na návětrných svazích snížil většinu své vlhkosti. Kvůli různým adiabatickým rychlostem vlhkého a suchého vzduchu se vzduch na závětrných svazích stává teplejší než ve stejné výšce na návětrných svazích.

Teplotní sloupec (nebo tepelné) je vertikální řez stoupající vzduch v nižších nadmořských výškách zemské atmosféry. Termály vznikají nerovnoměrným ohřevem zemského povrchu ze slunečního záření. Slunce ohřívá zemi, což zase ohřívá vzduch přímo nad ním. Teplejší vzduch expanduje, stává se méně hustým než okolní vzduchová hmota a vytváří tepelné minimum . Hmota lehčího vzduchu stoupá a při tom se ochlazuje expanzí při nižších tlacích vzduchu. Přestane stoupat, když se ochladí na stejnou teplotu jako okolní vzduch. S termálem je spojen tok směrem dolů obklopující tepelný sloupec. Dolů se pohybující exteriér je způsoben chladnějším vzduchem, který je vytlačován v horní části tepelného zdroje. Dalším efektem počasí řízeným konvekcí je mořský vánek .

Fáze života bouřky.

Teplý vzduch má nižší hustotu než studený vzduch, takže teplý vzduch stoupá uvnitř chladnějšího vzduchu, podobně jako horkovzdušné balóny . Mraky se tvoří, když v chladnějším vzduchu stoupá relativně teplejší vzduch přenášející vlhkost. Vzhledem k tomu, vlhký vzduch stoupá, ochlazuje, což některé z vodní páry v rostoucím paketu vzduchu do kondenzátu . Když vlhkost kondenzuje, uvolňuje energii známou jako latentní kondenzační teplo, které umožňuje stoupajícímu paketu vzduchu ochlazovat méně než jeho okolní vzduch, čímž pokračuje vzestup mraku. Pokud je v atmosféře dostatečná nestabilita , bude tento proces pokračovat dostatečně dlouho, aby se vytvořila oblaka cumulonimbus , která podporují blesky a hromy. Bouře obvykle vyžadují tři podmínky: vlhkost, nestabilní vzduch a zvedací sílu (teplo).

Všechny bouřky , bez ohledu na typ, procházejí třemi fázemi: vývojovou fází , zralou fází a fází rozptylu . Průměrná bouřka má průměr 24 km (15 mi). V závislosti na podmínkách přítomných v atmosféře trvá tyto tři fáze v průměru 30 minut.

Oceánská cirkulace

oceánské proudy

Sluneční záření ovlivňuje oceány: teplá voda z rovníku má tendenci cirkulovat směrem k pólům , zatímco studená polární voda směřuje k rovníku. Povrchové proudy jsou zpočátku diktovány podmínkami povrchového větru. Tyto pasáty foukat na západ v tropech a Westerlies foukat na východ ve středních zeměpisných šířkách. Tento vítr vzorek aplikuje napětí na subtropické oceánu povrchu s negativní oblouček přes severní polokouli , a na rubu přes jižní polokouli . Výsledný transport Sverdrup je rovníkový. Kvůli zachování potenciální vířivosti způsobené větry pohybujícími se na pólu na západním okraji subtropického hřbetu a zvýšené relativní vířivosti vody pohybující se směrem k pólu je doprava vyvážena úzkým, zrychlujícím se polárním proudem, který proudí podél západní hranice oceánská pánev, převažující nad účinky tření chladným západním hraničním proudem, který pochází z vysokých zeměpisných šířek. Celkový proces, známý jako západní intenzifikace, způsobuje, že proudy na západní hranici oceánské pánve jsou silnější než proudy na východní hranici.

Teplá voda transportovaná silným proudem teplé vody prochází polárním chlazením odpařováním. Chlazení je poháněno větrem: vítr pohybující se nad vodou vodu ochlazuje a také způsobuje odpařování a zanechává slanější solanku. V tomto procesu je voda slanější a hustší. a klesá teplota. Jakmile se vytvoří mořský led, soli se z ledu vynechají, což je proces známý jako vyloučení solanky. Tyto dva procesy produkují vodu, která je hustší a chladnější. Voda napříč severním Atlantským oceánem je tak hustá, že začíná klesat méně slanou a méně hustou vodou. (Tato otevřená oceánská konvekce se nepodobá lávové lampě .) Tento sestup těžké, studené a husté vody se stává součástí severoatlantické hluboké vody , jižního proudu.

Konvekční plášť

Oceánské desky se přidá k upwelling (vlevo) a spotřebované v průběhu subduction zóny (vpravo).

Plášťová konvekce je pomalý plazivý pohyb zemského skalnatého pláště způsobený konvekčními proudy přenášejícími teplo z nitra Země na povrch. Je to jedna ze 3 hnacích sil, které způsobují pohyb tektonických desek po zemském povrchu.

Zemský povrch je rozdělen na několik tektonických desek, které se nepřetržitě vytvářejí a spotřebovávají na opačných hranicích desek. Tvorba ( narůstání ) nastává, když se k rostoucím okrajům desky přidává plášť. Tento horký přidaný materiál se ochlazuje vedením a konvekcí tepla. Na hranách spotřeby desky se materiál tepelně smrštil, aby zhoustl, a klesá vlastní silou v procesu subdukce v oceánském příkopu. Tento subdukovaný materiál klesá do určité hloubky v nitru Země, kde je zakázáno dále klesat. Subdukovaná oceánská kůra spouští vulkanismus.

Stack efekt

Stack efekt nebo komínový efekt je pohyb vzduchu dovnitř a ven z budovy, komíny, komínové komíny plynu, nebo jiných nádob díky vztlaku. Vztlak nastává v důsledku rozdílu v hustotě vzduchu zevnitř k venkovnímu prostředí vyplývajícího z rozdílů teplot a vlhkosti. Čím větší je tepelný rozdíl a výška konstrukce, tím větší je vztlaková síla, a tím i stohovací efekt. Efekt stohu pomáhá řídit přirozenou ventilaci a infiltraci. Některé chladicí věže fungují na tomto principu; podobně je věž pro aktualizaci slunečního záření navrhovaným zařízením pro výrobu elektřiny na základě efektu komínů.

Hvězdná fyzika

Ilustrace struktury Slunce a rudé obří hvězdy, ukazující jejich konvekční zóny. Toto jsou zrnité zóny ve vnějších vrstvách těchto hvězd.

Konvekční zóna hvězdy je rozsah poloměrů, ve kterých je energie transportována především konvekcí.

Granule na fotosféře Slunce jsou viditelné vrcholy konvekčních buněk ve fotosféře, způsobené prouděním plazmy ve fotosféře. Stoupající část granulí se nachází ve středu, kde je plazma teplejší. Vnější okraj granulí je tmavší kvůli chladnější sestupné plazmě. Typická granule má průměr řádově 1 000 kilometrů a každá z nich trvá 8 až 20 minut, než se rozptýlí. Pod fotosférou je vrstva mnohem větších „supergranul“ o průměru až 30 000 kilometrů, jejichž životnost je až 24 hodin.

Mechanismy

K proudění může dojít v tekutinách ve všech měřítcích větších než několik atomů. Existuje celá řada okolností, za kterých vznikají síly potřebné pro proudění, což vede k různým typům proudění, popsaným níže. V širokém smyslu, konvekce vzniká v důsledku tělesných sil působících uvnitř tekutiny, jako je gravitace.

Přirozená konvekce

Tento barevný schlierenový obraz odhaluje tepelné proudění pocházející z vedení tepla z lidské ruky (v siluetě) do okolní klidné atmosféry.

K přirozenému proudění nebo volnému proudění dochází v důsledku teplotních rozdílů, které ovlivňují hustotu a tím i relativní vztlak tekutiny. Těžší (hustší) součásti budou klesat, zatímco lehčí (méně husté) součásti stoupají, což vede k hromadnému pohybu tekutin. K přirozenému proudění může dojít pouze v gravitačním poli. Běžným příkladem přirozené konvekce je vzestup kouře z ohně. Je to vidět v hrnci s vařící vodou, ve kterém se horká a méně hustá voda na spodní vrstvě pohybuje vzhůru v oblacích, a chladná a hustší voda v blízkosti horní části hrnce také klesá.

Přirozená konvekce bude pravděpodobnější a rychlejší s větší variací hustoty mezi oběma tekutinami, s větším zrychlením v důsledku gravitace, která pohání konvekci, nebo s větší vzdáleností přes konvekční médium. Přirozená konvekce bude méně pravděpodobná a méně rychlá s rychlejší difúzí (čímž se rozptýlí tepelný gradient, který způsobuje konvekci) nebo viskóznější (lepkavější) tekutinou.

Počátek přirozené konvekce lze určit pomocí Rayleighova čísla ( Ra ).

Všimněte si toho, že rozdíly ve vztlaku uvnitř tekutiny mohou nastat z jiných důvodů, než jsou kolísání teploty, v takovém případě se pohyb tekutiny nazývá gravitační proudění (viz níže). V mikrogravitačním prostředí se však nevyskytují všechny typy vznášející se konvekce, včetně přirozené konvekce . Všechny vyžadují přítomnost prostředí, které zažívá sílu g ( správné zrychlení ).

Gravitační nebo plovoucí proudění

Gravitační proudění je druh přirozené konvekce vyvolané změnami vztlaku vyplývajícími z jiných materiálových vlastností, než je teplota. Typicky je to způsobeno proměnlivým složením tekutiny. Pokud je proměnnou vlastností koncentrační gradient, je znám jako solutální konvekce . Gravitační proudění lze například pozorovat při difuzi zdroje suché soli směrem dolů do vlhké půdy v důsledku vztlaku sladké vody ve fyziologickém roztoku.

Proměnlivá slanost ve vodě a proměnlivý obsah vody ve vzdušných hmotách jsou častými příčinami proudění v oceánech a atmosféře, které nezahrnují teplo, nebo také zahrnují další faktory hustoty složení jiné než změny hustoty z teplotní roztažnosti (viz cirkulace termohalin ). Podobně variabilní složení v nitru Země, které dosud nedosáhlo maximální stability a minimální energie (jinými slovy s nejhustšími částmi nejhlubší), nadále způsobuje zlomek proudění tekuté horniny a roztaveného kovu v nitru Země (viz níže) .

Gravitační proudění, stejně jako přirozená tepelná konvekce, také vyžaduje prostředí g-síly .

Polovodičová konvekce v ledu

Předpokládá se, že k proudění ledu na Plutu dochází v měkké směsi ledu dusíku a ledu oxidu uhelnatého . Byl také navržen pro Evropu a další tělesa ve vnější sluneční soustavě.

Termomagnetická konvekce

K termomagnetické konvekci může dojít, když je na ferrofluid s různou magnetickou citlivostí naneseno vnější magnetické pole . V přítomnosti teplotního gradientu to má za následek nejednotnou magnetickou tělesnou sílu, která vede k pohybu tekutiny. Ferrofluid je kapalina, která se v přítomnosti magnetického pole silně magnetizuje .

Spalování

V prostředí s nulovou gravitací nemohou existovat žádné vztlakové síly, a tedy ani proudění, takže plameny za mnoha okolností bez gravitace dusí vlastní odpadní plyny. Tepelná roztažnost a chemické reakce vedoucí k expanzním a smršťovacím plynům umožňují odvětrání plamene, protože odpadní plyny jsou vytlačovány chladným, čerstvým plynem bohatým na kyslík. se nasune, aby zachytil nízkotlaké zóny vytvořené při kondenzaci vody z výfuku plamene.

Matematické modely proudění

Pro popis a předpovídání konvekce byla odvozena řada bezrozměrných termínů, včetně Archimédova čísla , Grashofova čísla , Richardsonova čísla a Rayleighova čísla .

V případech smíšené konvekce (přirozené a nucené se vyskytující společně) by často chtělo vědět, jak velká část proudění je způsobena vnějšími omezeními, jako je rychlost kapaliny v čerpadle, a kolik je způsobeno přirozenou konvekcí vyskytující se v systému .

Relativní velikosti Grashofova čísla a druhé mocniny Reynoldsova čísla určují, která forma konvekce dominuje. Pokud , lze opomenout nucenou konvekci, zatímco pokud , přirozenou konvekci lze opomenout. Pokud je poměr, známý jako Richardsonovo číslo , přibližně jedna, pak je třeba vzít v úvahu nucenou i přirozenou konvekci.

Viz také

Reference

externí odkazy