Конвекция

Из курса физики 8 класса известно, что теплота — это внутренняя энергия вещества, представляющая собой энергию хаотичного движения молекул. Теплота способна передаваться от одного тела к другому, и происходить это может тремя способами: теплопередачей, излучением и конвекцией. Рассмотрим кратко, как происходит теплообмен путем конвекции, какие особенности есть у этого вида переноса тепла.

Перенос тепла в веществе

Поскольку теплота — это энергия хаотичного движения молекул, перенос тепла означает перенос энергии от одной точки среды к другой. Как это происходит?

Во-первых, энергия может переноситься путём соударения молекул. Но если вещество жидкое или газообразное, то существует и другая возможность. Молекулы жидкости или газа не связаны жёсткими кристаллическими связями и могут свободно перемещаться друг относительно друга. Следовательно, можно быстро двигающиеся (сильно нагретые) молекулы просто переместить в другую точку вещества, в результате температура этой точки возрастёт.

Перенос тепла в жидкости или газе возможен с помощью переноса самого вещества. Такой теплоперенос называется конвекцией. Говоря простыми словами, конвекция — это перемешивание.

Конвекция

Рис. 1. Конвекция.

Механизм естественной конвекции

Если на газ или жидкость не действует никаких сил, то организовать конвекцию в них возможно только путём приложения внешнего перемешивающего воздействия.

Однако если жидкость или газ в результате действия гравитации имеет вес, то появляется возможность организовать конвекцию без внешних воздействий — энергией движения самих молекул.

При нагревании все тела расширяются. То есть одна и та же жидкость (или газ) начинает занимать больший объём, и, следовательно, уменьшает плотность.

А теперь нужно вспомнить действие силы Архимеда. Эта сила действует не только на тело, помещённое в жидкость или газ, но и на отдельные слои вещества. И поскольку более нагретые части имеют меньшую плотность (она находится с помощью справочных таблиц и формул), в соответствии с законом Архимеда эти части начинают вытесняться вверх, уступая место более холодным и плотным частям.

Таким образом, при нагревании жидкости или газа в условиях существования веса появляется возможность создания конвекции только путём теплового воздействия. Появляющаяся сила Архимеда обеспечивает конвективное перемешивание. Такая конвекция называется естественной.

Чтобы организовать естественную конвекцию, необходимо нагревать жидкость или газ снизу. При нагреве сверху конвекции не происходит, и вещество будет нагреваться очень медленно и неравномерно. К примеру, вода в верхней части пробирки может кипеть, а в нижней её части будет нерастаявший лёд:

Нагрев верхней части пробирки со льдом

Рис. 2. Нагрев верхней части пробирки со льдом

Явление конвекции играет огромную роль в природе и технике. Для создания естественной конвекции нагревательные приборы всегда по возможности размещают внизу. Естественная конвекция атмосферы является основой погодных явлений.

Естественная конвекция возможна только благодаря силе Архимеда, которая является результатом существования у жидкости или газа веса. В состоянии невесомости (к примеру, на космической станции) естественная конвекция отсутствует, и жидкость можно нагреть только постоянно её перемешивая.

Сила Архимеда

Рис. 3. Сила Архимеда.

Что мы узнали?

Конвекция — это перенос тепла путём перемешивания в жидких или газообразных веществах. Если жидкость или газ имеет вес, в них возможна естественная конвекция, когда более нагретые слои вещества имеют меньшую плотность и поднимаются вверх благодаря возникающей силе Архимеда. В состоянии невесомости конвекция может быть только искусственной (с помощью внешних сил).

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Что представляет собой теплота вещества?

Начать тест(новая вкладка)
Доска почёта
Чтобы попасть сюда - пройдите тест.
    Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.6. Всего получено оценок: 10.

Предметы