Curenții de convecție și modul în care funcționează

Curenții de convecție sunt fluide care se deplasează deoarece există o diferență de temperatură sau de densitate în interiorul materialului.

Deoarece particulele dintr-un solid sunt fixate la locul lor, curenții de convecție sunt văzuți doar în gaze și lichide. O diferență de temperatură duce la un transfer de energie dintr-o zonă cu energie mai mare la una cu energie mai mică.

Convecția este a transfer de căldură proces. Când sunt produși curenți, materia este mutată dintr-o locație în alta. Deci, acesta este și un proces de transfer de masă.

Convecția care apare în mod natural se numește convecție naturală sau convecție liberă. Dacă un fluid este circulat folosind un ventilator sau o pompă, se numește convecție forțată. Celula formată prin curenții de convecție se numește a celula de convecție sau Celula Bénard.

O diferență de temperatură face ca particulele să se miște, creând un curent. În gaze și plasmă, o diferență de temperatură duce, de asemenea, la regiuni cu densitate mai mare și mai mică, în care atomii și moleculele se deplasează pentru a completa zonele cu presiune scăzută.

Pe scurt, lichidele calde cresc în timp ce lichidele reci se scufundă. Cu excepția cazului în care este prezentă o sursă de energie (de exemplu, lumina solară, căldură), curenții de convecție continuă numai până la atingerea unei temperaturi uniforme.

Oamenii de știință analizează forțele care acționează asupra unui fluid pentru a categoriza și înțelege convecția. Aceste forțe pot include:

• Gravitatie
• Tensiune de suprafata
• Diferențe de concentrare
• Câmpuri electromagnetice
• vibraţiile
• Formarea de legături între molecule

Curenții de convecție pot fi modelați și descriși folosind convecțiedifuziune ecuații, care sunt ecuații de transport scalar.

• Puteți observa curenții de convecție în apă fierbere într-o oală. Pur și simplu adăugați câteva mazăre sau bucăți de hârtie pentru a urmări fluxul curent. Sursa de căldură din partea de jos a cratiței încălzește apa, oferindu-i mai multă energie și determinând mișcarea mai rapidă a moleculelor. Schimbarea de temperatură afectează și densitatea apei. Pe măsură ce apa crește spre suprafață, o parte din ea are suficientă energie pentru a scăpa ca vapori. Evaporarea răcește suprafața suficient pentru a face ca unele molecule să se scufunde din nou spre fundul tigaiei.
• Un exemplu simplu de curenți de convecție este aerul cald care se ridică spre tavanul sau mansarda unei case. Aerul cald este mai puțin dens decât aerul rece, deci crește.
• Vântul este un exemplu de curent de convecție. Lumina soarelui sau lumina reflectată radiază căldură, setând o diferență de temperatură care determină mișcarea aerului. Zonele umbroase sau umede sunt mai reci sau capabile să absoarbă căldură, adăugând efectul. Curenții de convecție fac parte din ceea ce determină circulația globală a atmosferei Pământului.
• Combustie generează curenți de convecție. Excepția este că combustia într-un mediu cu gravitație zero nu are flotabilitate, astfel încât gazele calde nu cresc în mod natural, permițând oxigenului proaspăt să alimenteze flacăra. Convecția minimă în zero-g face ca multe flăcări să se sufle în propriile produse de ardere.
• Circulația atmosferică și oceanică reprezintă mișcarea pe scară largă a aerului și a apei (respectiv hidrosfera). Cele două procese funcționează împreună între ele. Curenții de convecție din aer și mare conduc la vreme.
• Magma în mantia Pământului se mișcă în curenții de convecție. Miezul fierbinte încălzește materialul de deasupra lui, determinând să se ridice spre crustă, unde se răcește. Căldura provine de la presiunea intensă pe rocă, combinată cu energia eliberată din natural degradare radioactivă de elemente. Magma nu poate continua să crească, așa că se mișcă orizontal și se scufundă înapoi.
• Efectul de stivă sau efectul de coș descrie curenții de convecție care deplasează gazele prin coșuri sau coșuri. Flotabilitatea aerului din interiorul și exteriorul unei clădiri este întotdeauna diferită datorită diferențelor de temperatură și umiditate. Creșterea înălțimii unei clădiri sau a unei stive crește mărimea efectului. Acesta este principiul pe care se bazează turnurile de răcire.
• Curenții de convecție sunt evidenti la soare. Granulele văzute în fotosfera soarelui sunt vârfurile celulelor de convecție. În cazul soarelui și al altor stele, fluidul este mai degrabă plasmă decât lichid sau gaz.