Конвекция

Мы помним про тепловое расширение тел, также мы помним про силу Архимеда. Напомню, что при нагреве объём тела увеличивается, но не меняется его масса, то есть плотность тела понижается, а из-за силы Архимеда тела с меньшей плотностью, чем плотность среды, будут выталкиваться на поверхность. Это означает, что если мы будем нагревать какой-то газ, то это приведёт к тому, что некоторый объём этого газа расширится, понизится его плотность и из-за силы Архимеда этот объём нагретого газа поднимется вверх. Это явление называется конвекцией. Теперь мы можем сформулировать определение: конвекция – способ передачи тепла, при котором тепло переносится самими струями и потоками жидкости или газа, возникающими из-за теплового расширения. Во время конвекции слои жидкости или газа перемешиваются: холодный сменяется горячим. Именно поэтому мы можем объяснить нагрев этих тел, хотя в теплопроводности мы говорили о том, что газы и жидкости плохо передают тепло.

Если мы зажжём спичку и поднесём руку сбоку от пламени, то мы почти не почувствуем тепла, даже если поднесём руку достаточно близко, но если мы расположим руку над пламенем, даже на большой высоте, то мы рискуем обжечься, ведь воздух, нагреваясь, будет расширяться и выталкиваться вверх. Если на дно пробирки положить кусочек льда, прижатый грузом, налить воду и нагревать её у самого верха, то вода вверху закипит, а лёд на дне так и не растает. Расширяясь от тепла, горячая вода становится легче и остаётся в верхней части пробирки, а из-за ничтожной теплопроводности воды тепло вниз не передаётся. Именно поэтому любые сосуды с жидкостями мы нагреваем пламенем снизу. Батареи не просто так располагаются под окнами: дело в том, что холодный воздух, попадая в тёплую комнату, будет сразу опускаться вниз, ведь его плотность больше, чем плотность воздуха в комнате, и сразу нагреваться от батареи.

Примеры конвекции

Если зажечь спичку в невесомости, то она не будет гореть долго: горючие газы образуют облачко вокруг спички, что приведёт к тому, что к пламени не будет поступать кислород, который необходим для горения. Эти газы не будут взлетать вверх, и вот почему. В невесомости корабль и всё, что внутри него, находятся в свободном падении, а значит, нагретому газу просто некуда всплывать: выталкивающая сила не возникает, а без неё нет и конвекции. Кстати, сила тяжести в этот момент никуда не девается – она по-прежнему действует и как раз держит корабль на орбите. Пропадает не она, а вес.

Из-за того, что воздух неодинаково прогревается над морем и над берегом, возникает бриз. Днём береговая линия нагревается намного сильнее, чем вода посреди моря. Воздух над сушей нагревается и взлетает вверх из-за конвекции, а на его место со стороны моря прилетает более холодный воздух. Такое явление называется морским бризом. Береговой бриз происходит по тем же причинам, только наоборот: суша ночью охлаждается быстрее, чем море, поэтому ветер будет дуть от берега к морю.

Вынужденная конвекция

В случае, когда различные слои жидкости или газа перемешиваются не из-за теплового расширения, а под действием внешней силы, это называется вынужденной конвекцией.

Примеры вынужденной конвекции

Размешивая горячий чай ложкой, мы заставляем его остывать быстрее, ведь ложка перемешивает горячие и тёплые слои сама, тем самым ускоряя процесс конвекции.

Вентилятор, который работает в комнате, постоянно перемешивает слои воздуха внутри комнаты. Также вентилятор невероятно важен в космосе, ведь в условиях невесомости отсутствует естественная конвекция. Если бы не множество вентиляторов в космическом корабле, то космонавты бы не смогли дышать, ведь выдыхаемый ими углекислый газ скапливался бы невидимым облаком вокруг их голов, что привело бы к удушью. Именно поэтому в космических кораблях так много вентиляторов и систем вынужденной конвекции.