Si apropeu la mà a un llum elèctric encès o poseu la mà damunt d'una estufa calenta, podreu sentir el moviment dels corrents d'aire calent. El mateix efecte es pot observar quan un full de paper oscil·la sobre una flama oberta. Tots dos efectes s'expliquen per convecció.
Què és?
El fenomen de la convecció es basa en l'expansió d'una substància més freda en contacte amb masses calentes. En aquestes circumstàncies, la substància escalfada perd la seva densitat i es torna més lleugera en comparació amb l'espai fred que l'envolta. Amb més precisió, aquesta característica del fenomen correspon al moviment dels fluxos de calor quan s'escalfa l'aigua.
El moviment de les molècules en direccions oposades sota la influència de l'escalfament és exactament en què es basa la convecció. La radiació i la conductivitat tèrmica són processos similars, però es refereixen principalment a la transferència d'energia tèrmica en sòlids.
Exemples vius de convecció: el moviment d'aire calent al mig d'una habitació amb calefaccióelectrodomèstics, quan els corrents d'escalfament es mouen sota el sostre i l'aire fred descendeix fins a la mateixa superfície del terra. Per això, quan la calefacció està encès, l'aire de la part superior de l'habitació és notablement més càlid en comparació amb la part inferior de l'habitació.
Llei d'Arquímedes i expansió tèrmica dels cossos físics
Per entendre què és la convecció natural, n'hi ha prou de considerar el procés fent servir l'exemple de la llei d'Arquimedes i el fenomen d'expansió dels cossos sota la influència de la radiació tèrmica. Per tant, segons la llei, un augment de la temperatura condueix necessàriament a un augment del volum de líquid. El líquid escalfat des de sota dels recipients puja més, i la humitat de major densitat, respectivament, es mou més avall. En el cas de l'escalfament des de d alt, els líquids més i menys densos romandran al seu lloc, en aquest cas el fenomen no es produirà.
L'aparició del concepte
El terme "convecció" va ser proposat per primera vegada pel científic anglès William Prout l'any 1834. S'utilitzava per descriure el moviment de masses tèrmiques en líquids escalfats i en moviment.
Els primers estudis teòrics sobre el fenomen de la convecció van començar només l'any 1916. Durant els experiments, es va trobar que la transició de la difusió a la convecció en líquids escalfats des de baix es produeix quan s'assoleixen determinats valors de temperatura crítics. Més tard, aquest valor es va definir com el "número de Roel". Va rebre el nom de l'investigador que el va estudiar. Els resultats dels experiments van permetre explicar el moviment dels fluxos de calor sota la influència de les forces d'Arquimedes.
Tipus de convecció
Hi ha diversos tipus del fenomen que descrivim: convecció natural i forçada. Un exemple del moviment dels fluxos d'aire calent i fred al mig d'una habitació és la millor manera de caracteritzar el procés de convecció natural. Pel que fa al forçat, es pot observar en barrejar el líquid amb una cullera, una bomba o un agitador.
La convecció és impossible quan els sòlids s'escalfen. Això es deu a l'atracció mútua força forta durant la vibració de les seves partícules sòlides. Com a resultat de l'escalfament dels cossos d'estructura sòlida, no es produeix la convecció i la radiació. La conductivitat tèrmica substitueix aquests fenòmens en aquests cossos i contribueix a la transferència d'energia tèrmica.
L'anomenada convecció capil·lar és un tipus independent. El procés es produeix quan la temperatura canvia durant el moviment del fluid per les canonades. En condicions naturals, la importància d'aquesta convecció, juntament amb la convecció natural i forçada, és extremadament insignificant. Tanmateix, en la tecnologia espacial, la convecció capil·lar, la radiació i la conductivitat tèrmica dels materials esdevenen factors molt importants. Fins i tot els moviments convectius més febles en condicions sense pes dificulten la realització d'algunes tasques tècniques.
Convecció a les capes de l'escorça terrestre
Els processos de convecció estan inextricablement relacionats amb la formació natural de substàncies gasoses en el gruix de l'escorça terrestre. El globus terraqüi es pot considerar com una esfera formada per diverses capes concèntriques. Al centre hi ha un nucli calent massiu, que és una massa líquida d' alta densitat que conté ferro,níquel, així com altres metalls.
Les capes circumdants del nucli terrestre són la litosfera i el mantell semilíquid. La capa superior del globus és directament l'escorça terrestre. La litosfera està formada per plaques individuals que es troben en moviment lliure, movent-se al llarg de la superfície del mantell líquid. En el curs de l'escalfament desigual de diverses parts del mantell i les roques, que difereixen en diferents composicions i densitats, es formen fluxos convectius. És sota la influència d'aquests fluxos que es produeix la transformació natural del fons oceànic i el moviment dels continents portants.
Diferències entre convecció i conducció de calor
La conductivitat tèrmica s'ha d'entendre com la capacitat dels cossos físics de transferir calor mitjançant el moviment de compostos atòmics i moleculars. Els metalls són excel·lents conductors de la calor, ja que les seves molècules estan en estret contacte entre elles. Al contrari, les substàncies gasoses i volàtils actuen com a mals conductors de la calor.
Com es produeix la convecció? La física del procés es basa en la transferència de calor a causa del lliure moviment de la massa de molècules de substàncies. Al seu torn, la conductivitat tèrmica consisteix únicament en la transferència d'energia entre les partícules constituents d'un cos físic. Tanmateix, tots dos processos són impossibles sense la presència de partícules de matèria.
Exemples del fenomen
L'exemple més simple i entenedor de convecció és el procés d'una nevera normal. CirculacióEl gas freó refrigerat a través de les canonades de la cambra de refrigeració provoca una disminució de la temperatura de les capes superiors d'aire. En conseqüència, en ser substituïts per corrents més càlides, els freds s'enfonsen, refredant així els productes.
La reixa situada al panell posterior de la nevera fa el paper d'un element que facilita l'eliminació de l'aire calent format al compressor de la unitat durant la compressió del gas. La refrigeració de la xarxa també es basa en mecanismes convectius. És per aquest motiu que no es recomana desordenar l'espai darrere de la nevera. Després de tot, només en aquest cas, el refredament es pot produir sense dificultat.
Es poden veure altres exemples de convecció observant un fenomen tan natural com el moviment del vent. Escalfant sobre continents àrids i refredant-se en terrenys més durs, els corrents d'aire comencen a desplaçar-se els uns als altres, fent-los moure, així com moure la humitat i l'energia.
La possibilitat de volar ocells i planadors està lligada a la convecció. Les masses d'aire menys denses i més càlides, amb un escalfament desigual prop de la superfície de la Terra, provoquen la formació de corrents ascendents, que contribueixen al procés de vol. Per superar les distàncies màximes sense gastar força i energia, els ocells necessiten la capacitat de trobar aquests rierols.
Uns bons exemples de convecció són la formació de fum a les xemeneies i els cràters volcànics. El moviment ascendent del fum es basa en la seva temperatura més alta i menor densitat en comparació amb el seu entorn. A mesura que el fum es refreda, s'instal·la gradualment a les capes inferiors de l'atmosfera. Exactament per aquest motiules canonades industrials, a través de les quals s'alliberen substàncies nocives a l'atmosfera, es fabriquen el més alt possible.
Els exemples més comuns de convecció a la natura i la tecnologia
Entre els exemples més senzills i fàcils d'entendre que es poden observar a la natura, la vida quotidiana i la tecnologia, cal destacar:
- flux d'aire durant el funcionament de les bateries de calefacció domèstica;
- formació i moviment de núvols;
- el procés de moviment del vent, monsons i brises;
- desplaçament de les plaques tectòniques;
- processos que condueixen a la formació de gas lliure.
Cuina
Cada vegada més, el fenomen de la convecció es realitza en els electrodomèstics moderns, en particular en els forns. L'armari de gas amb convecció permet cuinar diferents plats al mateix temps a nivells separats a diferents temperatures. Això elimina completament la barreja de gustos i olors.
El forn tradicional es basa en un sol cremador per escalfar l'aire, la qual cosa provoca una distribució desigual de la calor. A causa del moviment intencionat dels corrents d'aire calent amb l'ajuda d'un ventilador especialitzat, els plats en un forn de convecció resulten més sucosos i millor cuits. Aquests dispositius s'escalfen més ràpidament, la qual cosa redueix el temps necessari per cuinar.
Per descomptat, per a les mestresses de casa que cuinen al forn només unes quantes vegades a l'any, un electrodomèstic ambla funció de convecció no es pot anomenar una tècnica de primera necessitat. Tanmateix, per a aquells que no poden viure sense experiments culinaris, aquest dispositiu esdevindrà simplement indispensable a la cuina.
Esperem que el material presentat us hagi estat útil. Bona sort!
