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 к грозам . Естественная конвекция также играет важную роль в звездной физике . Конвекцию часто классифицируют или описывают по основному эффекту, вызывающему конвективный поток, например, тепловая конвекция.
Конвекция не может иметь место в большинстве твердых тел, потому что не может иметь место ни объемное течение тока, ни значительная диффузия вещества.
Терминология
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 различения концепции конвекции в механике жидкости (рассматриваемой в этой статье) от конвективной теплопередачи. [3]
Некоторые явления, которые приводят к эффекту, внешне похожему на эффект конвективной ячейки, также могут (неточно) называться формой конвекции, например термокапиллярная конвекция и гранулярная конвекция .
Примеры и приложения
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.
Демонстрационные эксперименты
Тепловую конвекцию в жидкостях можно продемонстрировать, поместив источник тепла (например, горелку Бунзена ) сбоку от емкости с жидкостью. Добавление в воду красителя (например, пищевого красителя) позволит визуализировать поток. [4] [5]
Другой распространенный эксперимент, демонстрирующий тепловую конвекцию в жидкостях, включает погружение открытых контейнеров с горячей и холодной жидкостью, окрашенной красителем, в большой контейнер с той же жидкостью без красителя при промежуточной температуре (например, банка с горячей водой из-под крана красного цвета, банка с водой из-под крана). вода, охлажденная в холодильнике синего цвета, опускается в чистую емкость с водой комнатной температуры). [6]
Третий подход заключается в использовании двух одинаковых банок, одна из которых наполнена горячей водой одного цвета, а холодная вода другого цвета. Затем одну банку временно запечатывают (например, карточкой), переворачивают и кладут на другую. Если при удалении карты емкость с более теплой жидкостью помещается сверху, конвекция не возникает. Если поставить сосуд с более холодной жидкостью, самопроизвольно возникнет конвекционный поток. [7]
Конвекцию в газах можно продемонстрировать, используя свечу в закрытом помещении с впускным и выпускным отверстиями. Тепло от свечи вызовет сильный конвекционный ток, который можно продемонстрировать с помощью индикатора потока, например, дым от другой свечи, который будет выпущен рядом с впускной и выпускной зонами соответственно. [8]
Конвекционные камеры
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
Атмосферная циркуляция
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
Некоторые более локальные 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. [9] 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 . [10] [11] 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 . [12] [13]
Теплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, поэтому теплый воздух поднимается вместе с более холодным воздухом [14], подобно воздушным шарам с горячим воздухом . [15] 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 . [16] Когда влага конденсируется, она выделяет энергию, известную как скрытая теплота конденсации, которая позволяет поднимающемуся пакету воздуха охлаждаться меньше, чем окружающий его воздух, [17] продолжая восхождение облака. Если в атмосфере присутствует достаточная нестабильность , этот процесс будет продолжаться достаточно долго, чтобы сформировались 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 . [18] Средняя гроза имеет диаметр 24 км (15 миль). В зависимости от условий в атмосфере на прохождение этих трех стадий уходит в среднем 30 минут. [19]
Океаническая циркуляция
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, [20] и западные дуют на восток в средних широтах. [21] Эта ветровая картина накладывает напряжение на поверхность субтропического океана с отрицательной завихренностью в Северном полушарии , [22] и наоборот - в Южном полушарии . В результате транспорт Свердрупа направлен к экватору. [23] Из-за сохранения потенциальной завихренности, вызванной движущимися к полюсу ветрами на западной периферии субтропического хребта, и повышенной относительной завихренностью воды, движущейся к полюсу, перенос уравновешивается узким ускоряющимся к полюсу течением, которое течет вдоль западного граница океанического бассейна, перевешивая эффекты трения с холодным западным пограничным течением, берущим начало в высоких широтах. [24] Общий процесс, известный как западная интенсификация, заставляет течения на западной границе океанического бассейна быть сильнее, чем на восточной границе. [25]
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. [26] 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 частью Североатлантического глубокого водотока, идущего на юг потока. [27]
Мантийная конвекция
Мантийная конвекция - это медленное плавное движение каменистой мантии Земли, вызванное конвекционными потоками, переносящими тепло из недр Земли на поверхность. [28] Это одна из трех движущих сил, которые заставляют тектонические плиты двигаться вокруг поверхности Земли. [29]
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
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 в помещении и вне помещения 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
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
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
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 движению объемной 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 шлейфами вверх, а более холодная и более плотная 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
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 . [30] Например, гравитационная конвекция может быть замечена в диффузии источника сухой соли вниз во влажную почву из-за плавучести пресной воды в солевом растворе. [31]
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
Считается, что ледяная конвекция на Плутоне происходит в мягкой смеси льда из азота и оксида углерода . Кроме того , было предложено для Европы , [32] и другие органы во внешней Солнечной системе. [33]
Термомагнитная конвекция
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 .
Горение
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. [34]
Математические модели конвекции
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, принудительной конвекцией можно пренебречь, а если , естественной конвекцией можно пренебречь. Если соотношение, известное как число Ричардсона , приблизительно равно единице, то необходимо учитывать как принудительную, так и естественную конвекцию.
Смотрите также
- 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
Рекомендации
- ^ Мансон, Брюс Р. (1990). Основы механики жидкости . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-85526-2.
- ^ Фалькович, Г. (2011). Механика жидкости, краткий курс для физиков . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-00575-4. Архивировано 20 января 2012 года.
- ^ Engel, Yunus A .; Болес, Майкл А. Термодинамика: инженерный подход . McGraw-Hill Education . ISBN 978-0-07-121688-3.
- ^ Convection Experiment - GCSE Physics , получено 11 мая 2021 г.
- ^ Convection Experiment , получено 11 мая 2021 г.
- ^ Демо- версия Convection Current Lab , получено 11 мая 2021 г.
- ^ Разноцветные конвекционные потоки - больная наука! # 075 , получено 11.05.2021
- ^ Конвекция в газах , извлечено 2021-05-11
- ^ Пидвирный, Майкл (2008). «ГЛАВА 8: Введение в гидросферу (e). Процессы образования облаков» . Физическая география. Архивировано из оригинала на 2008-12-20 . Проверено 1 января 2009 .
- ^ "Что такое сезон дождей?" . Штаб-квартира Национальной службы погоды в Западном регионе. Национальная служба прогнозов погоды в Тусоне, Аризона . 2008. Архивировано 23 июня 2012 года . Проверено 8 марта 2009 .
- ^ Hahn, Douglas 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 .
- ^ Университет Висконсина. Морские и наземные бризы. Архивировано 4 июля 2012 года на Wayback Machine. Проверено 24 октября 2006 года.
- ^ JetStream: Интернет школа для погоды (2008). Морской бриз. Архивировано 23 сентября 2006 года национальной метеорологической службой Wayback Machine . Проверено 24 октября 2006.
- ^ Фрай, Альберт Ирвин (1913). Карманный справочник инженеров-строителей: справочник для инженеров, подрядчиков . Компания Д. Ван Ностранд. п. 462 . Проверено 31 августа 2009 .
- ^ Дэн, Икне (2005). Древние китайские изобретения . Китайская международная пресса. С. 112–13. ISBN 978-7-5085-0837-5. Проверено 18 июня 2009 .
- ^ «Туман и слоистые слои - физическая метеорология» . Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik. FMI. 2007. Архивировано 06 июля 2011 года . Проверено 7 февраля 2009 .
- ^ 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 .
- ^ Могил, Майкл Х. (2007). Экстремальная погода . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publisher. С. 210–211 . ISBN 978-1-57912-743-5.
- ^ «Букварь для суровых погодных условий: 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 .
- ^ "пассаты" . Глоссарий метеорологии . Американское метеорологическое общество. 2009. Архивировано из оригинала на 2008-12-11 . Проверено 8 сентября 2008 .
- ^ Глоссарий метеорологии (2009). Вестерлис. Архивировано 22 июня 2010 г. в Wayback Machine Американского метеорологического общества . Проверено 15 апреля 2009.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ↑ Анджела Коллинг (2001). Циркуляция океана. Архивировано 2 марта 2018 года в Wayback Machine Butterworth-Heinemann, стр. 96. Проверено 7 мая 2009 года.
- ^ 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.
- ^ Рассел, Рэнди. «Термохалинная циркуляция океана» . Университетская корпорация атмосферных исследований. Архивировано 25 марта 2009 года . Проверено 6 января 2009 .
- ^ Бель Р. "Водные массы Атлантического океана" . Калифорнийский государственный университет в Лонг-Бич. Архивировано из оригинального 23 мая 2008 года . Проверено 6 января 2009 .
- ^ Кобес, Рэнди; Кунштаттер, Габор (2002-12-16). «Мантийная конвекция» . Физический факультет Виннипегского университета. Архивировано из оригинала на 2011-01-14 . Проверено 3 января 2010 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ Раатс, 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Горит ли свеча в невесомости? Архивировано 17 марта 2008 г. в Wayback Machine.