Konvektionsströmmar är flytande vätska som rör sig eftersom det finns en temperatur- eller densitetsskillnad i materialet.
Eftersom partiklar i ett fast ämne är fixerade på plats, konvektionsströmmar ses endast i gaser och vätskor. En temperaturskillnad leder till en energiöverföring från ett område med högre energi till ett område med lägre energi.
Konvektion är en värmeöverföringsprocess. När strömmar produceras flyttas materia från en plats till en annan. Så detta är också en massöverföringsprocess.
Konvektion som förekommer naturligt kallas naturlig konvektion eller fri konvektion
. Om en vätska cirkuleras med hjälp av en fläkt eller en pump kallas det tvingad konvektion. Cellen som bildas av konvektionsströmmar kallas en konvektionscell eller Bénard cell
.
Varför de bildas
En temperaturskillnad får partiklar att röra sig, vilket skapar en ström. I gaser och plasma leder en temperaturskillnad också till områden med högre och lägre densitet, där atomer och molekyler rör sig för att fylla ut områden med lågt tryck.
Kort sagt, varma vätskor stiger medan kalla vätskor sjunker. Om det inte finns en energikälla (t.ex. solljus, värme), fortsätter konvektionsströmmar endast tills en enhetlig temperatur uppnås.
Forskare analyserar krafterna som verkar på en vätska för att kategorisera och förstå konvektion. Dessa krafter kan inkludera: Gravity Ytspänning Koncentrationsskillnader Elektromagnetiska fält Vibrationer Bindningsbildning mellan molekyler
Konvektionsströmmar kan modelleras och beskrivas med hjälp av konvektions-diffusionsekvationer, som är skalär transport ekvationer. Exempel på konvektionsströmmar och energiskala
- Du kan observera konvektionsströmmar i vatten som kokar i en kastrull. Lägg bara till några ärtor eller pappersbitar för att spåra strömflödet. Värmekällan i botten av pannan värmer vattnet, ger det mer energi och gör att molekylerna rör sig snabbare. Temperaturförändringen påverkar också vattnets densitet. När vattnet stiger mot ytan har en del av det tillräckligt med energi för att fly som ånga. Avdunstning kyler ytan tillräckligt för att få vissa molekyler att sjunka tillbaka mot botten av pannan igen.
Ett enkelt exempel på konvektionsströmmar är varm luft som stiger mot taket eller vinden i ett hus. Varm luft är mindre tät än kall luft, så den stiger.
Vind är ett exempel på en konvektionsström. Solljus eller reflekterat ljus utstrålar värme och skapar en temperaturskillnad som får luften att röra sig. Skuggiga eller fuktiga områden är svalare eller kan absorbera värme, vilket ökar effekten. Konvektionsströmmar är en del av det som driver den globala cirkulationen av jordens atmosfär. Förbränning genererar konvektionsströmmar. Undantaget är att förbränning i en miljö med noll tyngdkraft saknar flytkraft, så heta gaser stiger inte naturligt, vilket tillåter färskt syre att mata lågan. Den minimala konvektionen i noll-g får många lågor att kväva sig själva i sina egna förbränningsprodukter.
Varför de bildas
- Konvektionsströmmar kan modelleras och beskrivas med hjälp av konvektions-diffusionsekvationer, som är skalär transport ekvationer.
Exempel på konvektionsströmmar och energiskala
Magma i jordens mantel rör sig i konvektionsströmmar. Den varma kärnan värmer materialet ovanför den, vilket gör att den stiger mot skorpan, där den svalnar. Värmen kommer från det intensiva trycket på berget, i kombination med den energi som frigörs från naturligt radioaktivt sönderfall av grundämnen. Magman kan inte fortsätta att stiga, så den rör sig horisontellt och sjunker ner igen.
Konvektionsströmmar är tydliga i solen. Granulerna som ses i solens fotosfär är toppen av konvektionsceller. När det gäller solen och andra stjärnor är vätskan plasma snarare än en vätska eller gas.
