Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из конвекционных токов )
Перейти к навигации Перейти к поиску
На этом рисунке показан расчет тепловой конвекции в мантии Земли . Цвета, близкие к красному, - это горячие области, а цвета, близкие к синему, - это теплые и холодные области. Горячий, менее плотный нижний пограничный слой отправляет струи горячего материала вверх, а холодный материал сверху движется вниз.

Конвекция - это одно- или многофазный поток жидкости, который возникает спонтанно из-за комбинированного воздействия неоднородности свойств материала и физических сил на жидкость , чаще всего плотности и силы тяжести (см. Плавучесть ). Если причина конвекции не указана, можно предположить конвекцию из-за эффектов теплового расширения и плавучести. Конвекция также может иметь место в мягких твердых телах или смесях, в которых могут течь частицы.

Конвективный поток может быть переходным (например, когда многофазная смесь из масла и вода отделяется) или стационарного состояния (см конвекционной ячейки ). Конвекция может быть вызвана гравитационными , электромагнитными или фиктивными телесными силами. Передача тепла естественной конвекцией играет важную роль в структуре атмосферы Земли , ее океанов и мантии . Дискретные конвективные ячейки в атмосфере можно идентифицировать по облакам , причем более сильная конвекция приводит кгрозы . Естественная конвекция также играет важную роль в звездной физике . Конвекцию часто классифицируют или описывают по основному эффекту, вызывающему конвективный поток, например, тепловая конвекция.

Тепловое изображение только что зажженного чайника Ghillie . Виден шлейф горячего воздуха от конвекционного течения.

Конвекция не может иметь место в большинстве твердых тел, потому что не может иметь место ни объемное течение тока, ни значительная диффузия вещества.

Тепловую конвекцию можно продемонстрировать, поместив источник тепла (например, горелку Бунзена ) сбоку от стакана, наполненного жидкостью, и наблюдая за изменениями температуры в стекле, вызванными более теплой жидкостью, циркулирующей в более холодных областях.

Терминология [ править ]

Слово конвекция имеет разные, но связанные между собой значения в различных научных или инженерных контекстах или приложениях. В более широком смысле это относится к механике жидкости , где конвекция относится к движению жидкости, вызванному разностью плотности (или другого свойства). [1] [2]

В термодинамике «конвекция» часто относится к передаче тепла путем конвекции , где вариант с префиксом «Естественная конвекция» используется для того, чтобы отличить концепцию конвекции в механике жидкости (рассматриваемой в этой статье) от конвективной теплопередачи. [3]

Некоторые явления, которые приводят к эффекту, внешне аналогичному эффекту конвективной ячейки, также могут (неточно) упоминаться как форма конвекции, например термокапиллярная конвекция и гранулярная конвекция .

Примеры и приложения [ править ]

Конвекция происходит в больших масштабах в атмосферах , океанах, мантии планет и обеспечивает механизм теплопередачи для значительной части внешних недр нашего Солнца и всех звезд. Движение жидкости во время конвекции может быть незаметно медленным или очевидным и быстрым, как при урагане . В астрономических масштабах считается, что конвекция газа и пыли происходит в аккреционных дисках черных дыр со скоростью, которая может близко приближаться к скорости света.

Конвекционные ячейки [ править ]

Конвекционные ячейки в поле силы тяжести

Конвекционная ячейка , также известная как ячейки Бенары , является характерной структурой потока текучей среды во многих системах конвекции. Поднимающееся тело жидкости обычно теряет тепло, поскольку сталкивается с более холодной поверхностью. В жидкости это происходит потому, что она обменивается теплом с более холодной жидкостью посредством прямого обмена. В примере с атмосферой Земли это происходит потому, что она излучает тепло. Из-за этой потери тепла жидкость становится плотнее, чем жидкость под ней, которая все еще поднимается. Поскольку он не может спуститься через поднимающуюся жидкость, он перемещается в одну сторону. На некотором расстоянии его направленная вниз сила преодолевает восходящую силу под ним, и жидкость начинает опускаться. По мере опускания он снова нагревается, и цикл повторяется.

Атмосферная конвекция [ править ]

Атмосферная циркуляция [ править ]

Идеализированное изображение глобального круговорота на Земле.

Атмосферная циркуляция - это крупномасштабное движение воздуха и средство, с помощью которого тепловая энергия распределяется по поверхности Земли вместе с гораздо более медленной (отстающей) системой циркуляции океана. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется от года к году, но основная климатологическая структура остается довольно постоянной.

Широтная циркуляция возникает из-за того, что падающая солнечная радиация на единицу площади максимальна на тепловом экваторе и уменьшается с увеличением широты , достигая минимумов на полюсах. Она состоит из двух основных элементов конвекции клеток Хедли и полярного вихря , с клеткой Hadley испытывает сильную конвекцию в связи с выделением скрытой теплоты энергии путем конденсации из водяного пара на больших высотах во время образования облаков.

С другой стороны, продольная циркуляция возникает из-за того, что океан имеет более высокую удельную теплоемкость, чем суша (а также теплопроводность , позволяя теплу проникать дальше под поверхность) и, таким образом, поглощает и выделяет больше тепла , но температура меняется меньше. чем земля. Это приносит морской бриз, охлаждаемый водой, днем ​​на берег и переносит наземный бриз, охлаждаемый при контакте с землей, в море в ночное время. Продольная циркуляция состоит из двух ячеек, циркуляции Уокера и Эль-Ниньо / Южного колебания .

Погода [ править ]

Как производится Фоэн

Некоторые более локализованные явления, чем глобальное движение атмосферы, также связаны с конвекцией, включая ветер и некоторые элементы гидрологического цикла . Например, фэн-ветер - это нисходящий ветер, который возникает на подветренной стороне горного хребта. Это происходит из-за адиабатического нагревания воздуха, который потерял большую часть своей влаги на наветренных склонах. [4] Из-за разной скорости адиабатического градиента влажного и сухого воздуха воздух на подветренных склонах становится теплее, чем на той же высоте на наветренных склонах.

Тепловая колонна (или тепловой) представляет собой вертикальный разрез поднимающегося воздуха в нижних высотах атмосферы Земли. Тепловые эффекты создаются из-за неравномерного нагрева поверхности Земли солнечным излучением. Солнце нагревает землю, которая, в свою очередь, нагревает воздух прямо над ней. Более теплый воздух расширяется, становясь менее плотным, чем окружающая воздушная масса, и создает тепловой минимум . [5] [6]Масса более легкого воздуха увеличивается, и при этом он охлаждается за счет расширения при более низком давлении воздуха. Он перестает подниматься, когда остынет до температуры окружающего воздуха. С термиком связан нисходящий поток, окружающий термическую колонну. Нисходящий внешний вид вызван вытеснением более холодного воздуха в верхней части теплового потока. Еще один погодный эффект, обусловленный конвекцией, - это морской бриз . [7] [8]

Этапы грозовой жизни.

Теплый воздух имеет более низкую плотность, чем холодный воздух, поэтому теплый воздух поднимается вместе с более холодным воздухом [9], подобно воздушным шарам с горячим воздухом . [10] Облака образуются, когда относительно более теплый воздух, несущий влагу, поднимается в более прохладном воздухе. По мере того, как влажный воздух поднимается, он охлаждается, в результате чего часть водяного пара в поднимающемся пакете воздуха конденсируется . [11] Когда влага конденсируется, она высвобождает энергию, известную как скрытая теплота конденсации, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух, [12] продолжая восхождение облака. Если в атмосфере присутствует достаточно нестабильности , этот процесс будет продолжаться достаточно долго дляобразуются кучево-дождевые облака , поддерживающие молнии и гром. Как правило, для образования грозы требуются три условия: влажность, нестабильная воздушная масса и подъемная сила (тепло).

Все грозы , независимо от типа, пройти три этапа: стадия развития , то зрелый этап и этап диссипации . [13] Средняя гроза имеет диаметр 24 км (15 миль). В зависимости от условий в атмосфере на прохождение этих трех стадий уходит в среднем 30 минут. [14]

Океаническая циркуляция [ править ]

Океанские течения

Солнечная радиация влияет на океаны: теплая вода с экватора имеет тенденцию циркулировать к полюсам , а холодная полярная вода устремляется к экватору. Поверхностные течения изначально определяются условиями приземного ветра. В пассаты дуют на запад , в тропиках, [15] и западные дуют на восток в средних широтах. [16] Эта ветровая картина накладывает напряжение на поверхность субтропического океана с отрицательной завихренностью в Северном полушарии , [17] и наоборот - в Южном полушарии . В результате транспорт Свердрупа направлен к экватору.[18] Из-за сохранения потенциальной завихренности, вызванной ветрами, движущимися к полюсам назападной периферии субтропического хребта, и повышенной относительной завихренностью воды, движущейся к полюсу, перенос уравновешивается узким ускоряющимся потоком, направленным к полюсу, который течет вдоль западного побережья. граница океанического бассейна, перевешивая эффекты трения с холодным западным пограничным течением, берущим начало в высоких широтах. [19] Общий процесс, известный как западная интенсификация, заставляет течения на западной границе океанического бассейна быть сильнее, чем на восточной границе. [20]

По мере продвижения к полюсу теплая вода, переносимая сильным потоком теплой воды, подвергается испарительному охлаждению. Охлаждение осуществляется ветром: ветер, движущийся над водой, охлаждает воду, а также вызывает испарение , оставляя более соленый рассол. В этом процессе вода становится более соленой и плотной. и понижается температура. После образования морского льда соли остаются вне льда - процесс, известный как исключение рассола. [21] Эти два процесса производят более плотную и холодную воду. Вода в северной части Атлантического океана становится настолько плотной, что начинает опускаться через менее соленую и менее плотную воду. (Конвективное действие мало чем отличается от действия лавовой лампы .) Этот нисходящий поток тяжелой, холодной и плотной воды становится частьюСеверная Атлантика Deep Water , южный поток. [22]

Мантийная конвекция [ править ]

Океаническая плита добавляются по апвеллингу (слева) и потребляются в субдукционной зоне (справа).

Мантийная конвекция - это медленное плавное движение каменистой мантии Земли, вызванное конвекционными потоками, переносящими тепло из недр Земли на поверхность. [23] Это одна из трех движущих сил, которые заставляют тектонические плиты двигаться вокруг поверхности Земли. [24]

Поверхность Земли разделена на несколько тектонических плит, которые непрерывно создаются и потребляются на своих противоположных границах плит. Создание ( аккреция ) происходит, когда мантия добавляется к растущим краям пластины. Этот горячий добавленный материал охлаждается за счет теплопроводности и конвекции. На потребляющих краях пластины материал термически сжался, чтобы стать плотным, и он тонет под собственным весом в процессе субдукции в океаническом желобе. Этот субдуцированный материал опускается на некоторую глубину в недрах Земли, где ему запрещено погружаться дальше. Субдуцированная океаническая кора вызывает вулканизм.

Эффект стека [ править ]

Эффект стека или дымохода - это движение воздуха в здания, дымоходы, дымовые трубы или другие контейнеры и из них за счет плавучести. Плавучесть возникает из-за разницы в плотности воздуха внутри помещения и снаружи в результате разницы температуры и влажности. Чем больше разница температур и высота конструкции, тем больше выталкивающая сила и, следовательно, эффект суммирования. Эффект стека способствует естественной вентиляции и инфильтрации. Некоторые градирни работают по этому принципу; Аналогичным образом, солнечная башня с восходящим потоком является предлагаемым устройством для выработки электроэнергии на основе эффекта стека.

Звездная физика [ править ]

Иллюстрация структуры Солнца и красной звезды- гиганта с указанием их конвективных зон. Это зернистые зоны во внешних слоях этих звезд.

Зона конвекции звезды - это диапазон радиусов, в котором энергия переносится в основном за счет конвекции.

Гранулы на фотосфере Солнца - это видимые вершины конвективных ячеек в фотосфере, вызванные конвекцией плазмы в фотосфере. Поднимающаяся часть гранул расположена в центре, где плазма более горячая. Внешний край гранул более темный из-за более холодной нисходящей плазмы. Типичная гранула имеет диаметр порядка 1000 километров, и каждая гранула длится от 8 до 20 минут, прежде чем рассеется. Под фотосферой находится слой гораздо более крупных «супергранул» до 30 000 километров в диаметре с продолжительностью жизни до 24 часов.

Механизмы [ править ]

Конвекция может происходить в жидкостях любого размера, превышающего несколько атомов. Существует множество обстоятельств, при которых возникают силы, необходимые для естественной и принудительной конвекции, приводящие к различным типам конвекции, описанным ниже. В общих чертах, конвекция возникает из-за телесных сил, действующих в жидкости, таких как сила тяжести.

Естественная конвекция [ править ]

На этом цветном шлирен- изображении видна тепловая конвекция, возникающая в результате теплопроводности руки человека (в виде силуэта) в окружающую неподвижную атмосферу.

Естественная конвекция , или свободная конвекция , возникает из-за разницы температур, которая влияет на плотность и, следовательно, относительную плавучесть жидкости. Более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, в то время как более легкие (менее плотные) компоненты поднимутся, что приведет к перемещению объема жидкости. Следовательно, естественная конвекция может происходить только в гравитационном поле. Типичный пример естественной конвекции - дым от огня. Его можно увидеть в кастрюле с кипящей водой, в которой горячая и менее плотная вода на нижнем слое поднимается вверх струйками, а более холодная и более густая вода около вершины кастрюли также тонет.

Естественная конвекция будет более вероятной и более быстрой при большем изменении плотности между двумя жидкостями, большем ускорении из-за силы тяжести, которая вызывает конвекцию, или большем расстоянии через конвектирующую среду. Естественная конвекция будет менее вероятной и менее быстрой при более быстрой диффузии (тем самым рассеивая температурный градиент, вызывающий конвекцию) или более вязкой (липкой) жидкости.

Возникновение естественной конвекции можно определить по числу Рэлея ( Ra ).

Обратите внимание, что различия в плавучести внутри жидкости могут возникать по причинам, отличным от колебаний температуры, и в этом случае движение жидкости называется гравитационной конвекцией (см. Ниже). Однако все типы плавучей конвекции, включая естественную конвекцию, не возникают в условиях микрогравитации . Все требуют наличия среды, которая испытывает перегрузку ( правильное ускорение ).

Гравитационная или плавучая конвекция [ править ]

Гравитационная конвекция - это тип естественной конвекции, вызванной изменениями плавучести, обусловленными свойствами материала, отличными от температуры. Обычно это вызвано переменным составом жидкости. Если изменяющимся свойством является градиент концентрации, он известен как растворенная конвекция . [25] Например, гравитационная конвекция может быть замечена в диффузии источника сухой соли вниз во влажную почву из-за плавучести пресной воды в солевом растворе. [26]

Переменная соленость воды и переменное содержание воды в воздушных массах являются частыми причинами конвекции в океанах и атмосфере, которые не связаны с теплом или же связаны с дополнительными факторами плотности состава, отличными от изменений плотности в результате теплового расширения (см. Термохалинную циркуляцию ). Точно так же переменный состав в недрах Земли, который еще не достиг максимальной стабильности и минимальной энергии (другими словами, с наиболее плотными частями в глубине), продолжает вызывать часть конвекции жидкой породы и расплавленного металла внутри Земли (см. Ниже) .

Гравитационная конвекция, как и естественная тепловая конвекция, также требует наличия перегрузки в среде.

Твердотельная конвекция во льду [ править ]

Считается, что ледяная конвекция на Плутоне происходит в мягкой смеси льда из азота и оксида углерода . Он также был предложен для Европы , [27] и другие органы во внешней Солнечной системе. [28]

Термомагнитная конвекция [ править ]

Термомагнитная конвекция может возникать, когда внешнее магнитное поле накладывается на феррожидкость с переменной магнитной восприимчивостью . При наличии температурного градиента это приводит к неоднородной силе магнитного тела, что приводит к движению жидкости. Феррожидкость - это жидкость, которая сильно намагничивается в присутствии магнитного поля .

Сжигание [ править ]

В невесомости среды, не может быть не силы плавучести, и , следовательно , нет естественных (свободных) конвекций возможно, так что пламя во многих случаях без силы тяжести задушить в своих собственных отработанных газах. Однако пламя можно поддерживать с помощью любого типа принудительной конвекции (ветерок); или (в средах с высоким содержанием кислорода в "неподвижных" газовых средах) полностью из-за минимальной принудительной конвекции, которая возникает, поскольку тепловое расширение (не плавучесть) газов позволяет вентилировать пламя, поскольку отходящие газы движутся наружу и охлаждают, а свежий высокий - газообразный кислород поступает, чтобы занять зоны низкого давления, возникающие при конденсации выхлопной воды. [29]

Математические модели конвекции [ править ]

Ряд безразмерных терминов были получены для описания и прогнозирования конвекции, в том числе числа Архимеда , числа Грасгофа , числа Ричардсона , и числа Рэлея .

В случаях смешанной конвекции (естественной и принудительной, возникающих вместе) часто требуется знать, какая часть конвекции обусловлена ​​внешними ограничениями, такими как скорость жидкости в насосе, а какая - естественной конвекцией, возникающей в системе. .

Относительные величины числа Грасгофа и квадрата числа Рейнольдса определяют, какая форма конвекции преобладает. Если , то принудительной конвекцией можно пренебречь, тогда как если , естественной конвекцией можно пренебречь. Если соотношение, известное как число Ричардсона , приблизительно равно единице, то необходимо учитывать как принудительную, так и естественную конвекцию.

См. Также [ править ]

  • Клетки Бенара
  • Уравнение Черчилля – Бернштейна
  • Двойная диффузионная конвекция
  • Динамика жидкостей
  • Теплопередача
    • Конвективная теплопередача
  • Рост пьедестала с лазерным нагревом
  • Число Нуссельта
  • Термомагнитная конвекция
  • Вихревая трубка
  • Конвективное перемешивание

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мансон, Брюс Р. (1990). Основы механики жидкости . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-85526-2.
  2. ^ Фалькович, Г. (2011). Механика жидкости, краткий курс для физиков . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-00575-4. Архивировано 20 января 2012 года.
  3. ^ Engel, Юнус А .; Болес, Майкл А. Термодинамика: инженерный подход . McGraw-Hill Education . ISBN 978-0-07-121688-3.
  4. ^ Pidwirny, Майкл (2008). «ГЛАВА 8: Введение в гидросферу (e). Процессы образования облаков» . Физическая география. Архивировано из оригинала на 2008-12-20 . Проверено 1 января 2009 .
  5. ^ "Что такое сезон дождей?" . Штаб-квартира Национальной метеорологической службы в Западном регионе. Национальная служба прогнозов погоды в Тусоне, Аризона . 2008. Архивировано 23 июня 2012 года . Проверено 8 марта 2009 .
  6. ^ Хан, Дуглас G .; Манабэ, Сюкуро (1975). «Роль гор в круговороте муссонов в Южной Азии» . Журнал атмосферных наук . 32 (8): 1515–1541. Bibcode : 1975JAtS ... 32.1515H . DOI : 10.1175 / 1520-0469 (1975) 032 <1515: TROMIT> 2.0.CO; 2 . ISSN 1520-0469 . 
  7. ^ Университет Висконсина. Морские и наземные бризы. Архивировано 4 июля 2012 года на Wayback Machine. Проверено 24 октября 2006 года.
  8. ^ JetStream: Интернет школа для погоды (2008). Морской бриз. Архивировано 23 сентября 2006 года национальной метеорологической службой Wayback Machine . Проверено 24 октября 2006.
  9. ^ Фрай, Альберт Ирвин (1913). Карманный справочник инженеров-строителей: справочник для инженеров, подрядчиков . Компания Д. Ван Ностранд. п. 462 . Проверено 31 августа 2009 .
  10. ^ Дэн, Yikne (2005). Древние китайские изобретения . Китайская международная пресса. С. 112–13. ISBN 978-7-5085-0837-5. Проверено 18 июня 2009 .
  11. ^ "Туман и слоистые слои - метеорологические физические основы" . Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik. FMI. 2007. Архивировано 06 июля 2011 года . Проверено 7 февраля 2009 .
  12. ^ Муни, Крис С. (2007). Штормовой мир: ураганы, политика и битва за глобальное потепление . Houghton Mifflin Harcourt. п. 20. ISBN 978-0-15-101287-9. Проверено 31 августа 2009 .
  13. ^ Могил, Майкл Х. (2007). Экстремальная погода . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publisher. С.  210–211 . ISBN 978-1-57912-743-5.
  14. ^ «Учебник по суровой погоде: вопросы и ответы о грозах» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований . Национальная лаборатория сильных штормов. 2006-10-15. Архивировано из оригинала на 2009-08-25 . Проверено 1 сентября 2009 .
  15. ^ "пассаты" . Глоссарий метеорологии . Американское метеорологическое общество. 2009. Архивировано из оригинала на 2008-12-11 . Проверено 8 сентября 2008 .
  16. ^ Глоссарий метеорологии (2009). Вестерлис. Архивировано 22 июня 2010 г. в Wayback Machine Американского метеорологического общества . Проверено 15 апреля 2009.
  17. ^ Матиас Томчак и Дж. Стюарт Годфри (2001). Региональная океанография: введение. Архивировано 14 сентября 2009 г. в Wayback Machine Маттиас Томчак, стр. 42. ISBN 81-7035-306-8 . Проверено 6 мая 2009. 
  18. ^ Earthguide (2007). Урок 6: Разгадывая загадку Гольфстрима - По теплому течению, бегущему на север. Архивировано 23 июля 2008 года в Калифорнийском университете Wayback Machine в Сан-Диего. Проверено 6 мая 2009.
  19. Анджела Коллинг (2001). Циркуляция океана. Архивировано 2 марта 2018 года в Wayback Machine Butterworth-Heinemann, стр. 96. Проверено 7 мая 2009 года.
  20. ^ Национальный экологический спутник, данные и информационная служба (2009). Исследование Гольфстрима. Архивировано 3 мая 2010 года в Государственном университете Уэйбэк-Машины Северной Каролины . Проверено 6 мая 2009.
  21. ^ Рассел, Рэнди. «Термохалинная циркуляция океана» . Университетская корпорация атмосферных исследований. Архивировано 25 марта 2009 года . Проверено 6 января 2009 .
  22. ^ Behl, R. "Водные массы Атлантического океана" . Калифорнийский государственный университет в Лонг-Бич. Архивировано из оригинального 23 мая 2008 года . Проверено 6 января 2009 .
  23. ^ Кобес, Рэнди; Кунштаттер, Габор (2002-12-16). «Мантийная конвекция» . Физический факультет Виннипегского университета. Архивировано из оригинала на 2011-01-14 . Проверено 3 января 2010 .
  24. ^ Конди, Кент С. (1997). Тектоника плит и эволюция земной коры (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 5. ISBN 978-0-7506-3386-4. Архивировано 29 октября 2013 года.
  25. ^ Картрайт, Julyan HE; Пиро, Оресте; Вильякампа, Ана И. (2002). «Формирование рисунка в растворенной конвекции: вермикулированные рулоны и изолированные клетки». Physica A: Статистическая механика и ее приложения . 314 (1): 291. Bibcode : 2002PhyA..314..291C . CiteSeerX 10.1.1.15.8288 . DOI : 10.1016 / S0378-4371 (02) 01080-4 . 
  26. ^ Raats, PAC (1969). «Устойчивая гравитационная конвекция, вызванная линейным источником соли в почве». Труды Американского общества почвоведов . 33 (4): 483–487. Bibcode : 1969SSASJ..33..483R . DOI : 10,2136 / sssaj1969.03615995003300040005x .
  27. ^ Маккиннон, Уильям Б. (2006). «О конвекции в оболочках льда I внешних тел Солнечной системы, с подробным приложением к Каллисто». Икар . 183 (2): 435–450. Bibcode : 2006Icar..183..435M . DOI : 10.1016 / j.icarus.2006.03.004 .
  28. ^ Маккиннон, Уильям Б. (2006). «О конвекции в оболочках льда I внешних тел Солнечной системы, с подробным приложением к Каллисто». Икар . 183 (2): 435–450. Bibcode : 2006Icar..183..435M . DOI : 10.1016 / j.icarus.2006.03.004 .
  29. ^ Горит ли свеча в невесомости? Архивировано 17 марта 2008 г. в Wayback Machine.

Внешние ссылки [ править ]