KONVEKTION: EGENSKAPER, EXEMPEL, APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

Den konvektion är en av de tre mekanismerna att värme överförs från en zon till en annan varmare svalare. Det sker på grund av rörelsen av massan hos en vätska, som kan vara en vätska eller en gas. I vilket fall som helst krävs alltid ett material för att denna mekanism ska äga rum.

Ju snabbare rörelse av vätskan i fråga, desto snabbare överföring av termisk energi mellan zoner med olika temperaturer. Detta händer kontinuerligt med atmosfäriska luftmassor: flytkraften säkerställer att de varmare och mindre täta stiger medan de kallare och tätare faller ner.

Bild 1. Ett rum kyls genom att öppna dörren, eftersom den varma luften (röd pil) och mindre täta stiger och flyr ut från den. Källa: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Ett exempel på detta är det stängda rummet i bilden, som omedelbart kyls så snart dörrarna eller fönstren öppnas, eftersom den varma luften från insidan flyr ut även genom sprickorna, vilket ger plats för den friska luften från utsidan som återstår mer ner.

Typer av konvektion

Naturlig och tvingad konvektion

Figur 2. Exempel på tvingad konvektion och naturlig konvektion. Källa: Cengel, Y. Thermodynamics.

Konvektion kan vara naturlig eller tvingad. I det första fallet rör sig vätskan av sig självt, som när man öppnar dörren till rummet, medan den i det andra tvingas till exempel av en fläkt eller en pump.

Diffusion och adection

Det kan också finnas två varianter: diffusion och adection. Vid diffusion rör sig vätskemolekylerna mer eller mindre slumpmässigt och överföringen av värme går långsamt.

Däremot flyttar riktning en god mängd vätskemassa, vilket kan uppnås genom att tvinga konvektion till exempel med en fläkt. Men fördelen med rådgivning är att det är mycket snabbare än diffusion.

¿

En enkel matematisk modell för konvektiv värmeöverföring är Newtons kyllagar. Tänk på en varm yta i område A, omgiven av svalare luft, så att skillnaden i temperatur är liten.

Låt oss kalla den överförda värmen Q och tiden t. Den hastighet med vilken värme överförs är dQ / dt eller härrör från funktionen Q (t) med avseende på tid.

Eftersom värme är termisk energi är dess enheter i det internationella systemet joule (J), därför kommer överföringshastigheten i joule / sekund, vilket är watt eller watt (W).

Denna hastighet är direkt proportionell mot skillnaden i temperatur mellan det heta föremålet och mediet, betecknat ΔT och även till ytan A för objektet:

Proportionalitetskonstanten kallas h, som är värmeöverföringskoefficienten genom konvektion och bestäms experimentellt. Dess enheter i det internationella systemet (SI) är W / m ² . K, men det är vanligt att hitta det i termer av grader Celsius eller celsius.

Det är viktigt att notera att denna koefficient inte är en fluidegenskap eftersom den beror på flera variabler, såsom ytans geometri, fluidens hastighet och andra egenskaper.

Genom att kombinera alla ovanstående matematiskt tar Newtons kyllager denna form:

Tillämpning av Newtons lag om kylning

En person står mitt i ett rum 20 ° C, genom vilket en lätt bris blåser. Vilken är värmehastigheten som personen överför till miljön genom konvektion? Antag att den exponerade ytan är 1,6 m ² och yttemperaturen på huden är 29 ºC.

Fakta : konvektionsvärmeöverföringskoefficienten i detta fall är 6 W / m ² . ° C

Lösning

Personen kan överföra värme till luften runt dem, eftersom den är i rörelse när vinden blåser. För att hitta överföringshastigheten dQ / dt, anslut bara värdena i Newtons ekvation för kylning:

dQ / dt = 6 W / m ² . ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W.

Exempel på konvektion

Värm händerna över en lägereld

Det är vanligt att värma händerna genom att föra dem nära till en lägereld eller varm brödrost, eftersom luften runt värmekällan i sin tur värms upp och expanderar och stiger eftersom den är mindre tät. När den cirkulerar, höljer och värmer händerna upp den här varma luften.

Bild 3. Ett sätt att värma händerna är genom konvektionsströmmen som skapas i luften av elden. Källa: Pxfuel.

Luftflöde vid kusten

Vid kusten är havet kallare än landet, så luften ovanför landet värms upp och stiger, medan den kallare luften anländer och slår sig ner i det utrymme som den andra lämnar vid stigning.

Detta kallas en konvektionscell och är anledningen till att det känns svalare när man tittar ut mot havet och vinden blåser mot ansiktet på en varm dag. På natten händer det motsatta, den svala brisen kommer från land.

Vattencykeln

Naturlig konvektion inträffar i luften i havstränderna genom den hydrologiska cykeln, där vatten värms upp och avdunstas tack vare solstrålning. Den bildade vattenångan stiger, kyls och kondenseras till moln, vars massor ökar och stiger genom konvektion.

När vattendropparnas storlek ökar kommer det en tid då vattnet faller i form av regn, fast eller flytande, beroende på temperaturen.

Koka vatten i en behållare

När vattnet placeras i vattenkokaren eller kastrullen värms de skikt som är närmast botten först, eftersom flamman eller värmen från brännaren är närmast. Sedan expanderar vattnet och dess densitet minskar, därför stiger det och det kallare vattnet tar sin plats i botten av behållaren.

Bild 4. Uppvärmning av vatten genom konvektion. Källa: wikimedia Commons. Användare: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

På detta sätt cirkulerar alla lager snabbt och hela vattenkroppen värms upp. Detta är ett bra exempel på rådgivning.

Vindgenerering

Konvektion i luftmassor, tillsammans med jordens rotationsrörelse, producerar vindar när kall luft rör sig och cirkulerar under varm luft och skapar olika strömmar som kallas konvektionsströmmar.

havsströmmar

Vatten beter sig på samma sätt som luften i atmosfären. Varmare vatten är nästan alltid nära ytan, medan kallare vatten är djupare.

Dynamoeffekt

Det förekommer i den smälta kärnan inuti planeten, där den kombineras med jordens rotationsrörelse och genererar elektriska strömmar som ger upphov till jordens magnetfält.

Överföring av energi inuti stjärnorna

Stjärnor som solen är enorma gasfärer. Konvektion är en effektiv energitransportmekanism där, eftersom gasformiga molekyler har tillräcklig frihet att röra sig mellan områden i stjärnorna.

Ansökningar om konvektion

luftkonditioneringar

Luftkonditioneringsanläggningen placeras nära rummen i taket, så att den kylda luften, som är tätare, faller ner och svalnar närmare golvet.

Värmeväxlare

Det är en anordning som tillåter överföring av värme från en vätska till en annan och är till exempel principen om drift av luftkonditioneringsapparater och kylmekanismer för bilmotorn.

Värmeisolatorer i byggnader

De tillverkas genom att kombinera ark isolerande material och lägga till luftbubblor inuti.

kylartorn

De kallas också kyltorn, och tjänar till att bortskaffa värmen som produceras av kärnkraftverk, oljeraffinaderier och andra olika industriella anläggningar i luften istället för till marken eller till vattnet.

referenser

1. Giambattista, A. 2010. Fysik. 2:a. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Ledning, konvektion och strålning. Återställd från: eltamiz.com.
3. Natahenao. Värmeapplikationer. Återställd från: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fysik för vetenskap och teknik. Volym 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konvektion. Återställd från: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvektion termik. Återställd från: fr.wikipedia.org.