Elinizi yanan bir elektrik lambasına yaklaştırırsanız veya avucunuzu sıcak bir sobanın üzerine koyarsanız, sıcak hava akımlarının hareketini hissedebilirsiniz. Aynı etki, bir kağıt yaprağı açık alev üzerinde salındığında da gözlemlenebilir. Her iki etki de konveksiyonla açıklanır.
Bu nedir?
Konveksiyon olgusu, daha soğuk bir maddenin sıcak kütlelerle temas halinde genişlemesine dayanır. Bu durumda ısınan madde yoğunluğunu kaybeder ve etrafındaki soğuk alana göre daha hafif hale gelir. En doğrusu, fenomenin bu özelliği, su ısıtıldığında ısı akışlarının hareketine karşılık gelir.
Moleküllerin ısınmanın etkisi altında zıt yönlerde hareketi, konveksiyonun tam olarak dayandığı şeydir. Radyasyon ve termal iletkenlik benzer süreçlerdir, ancak esas olarak katılarda termal enerjinin transferi ile ilgilidirler.
Canlı konveksiyon örnekleri - ısıtmalı bir odanın ortasında sıcak havanın hareketicihazlar, ısıtılmış akışlar tavanın altında hareket ettiğinde ve soğuk hava zeminin yüzeyine iner. Bu nedenle, ısıtma açıkken, odanın üst kısmındaki hava, odanın dibine göre belirgin şekilde daha sıcaktır.
Arşimet Yasası ve fiziksel bedenlerin termal genleşmesi
Doğal konveksiyonun ne olduğunu anlamak için, Arşimet yasası örneğini kullanarak süreci ve termal radyasyonun etkisi altında cisimlerin genişlemesi fenomenini düşünmek yeterlidir. Bu nedenle, yasaya göre, sıcaklıktaki bir artış, zorunlu olarak sıvı hacminde bir artışa yol açar. Kaplarda aşağıdan ısıtılan sıvı yükselir ve sırasıyla daha yüksek yoğunluklu nem daha düşük hareket eder. Yukarıdan ısıtma durumunda, yerlerinde daha fazla ve daha az yoğun sıvı kalacak, bu durumda fenomen oluşmayacaktır.
Konseptin ortaya çıkışı
"Konveksiyon" terimi ilk olarak 1834'te İngiliz bilim adamı William Prout tarafından önerildi. Isıtılmış, hareketli sıvılarda termal kütlelerin hareketini tanımlamak için kullanıldı.
Konveksiyon olgusunun ilk teorik çalışmaları ancak 1916'da başladı. Deneyler sırasında alttan ısıtılan sıvılarda difüzyondan konveksiyona geçişin belirli kritik sıcaklık değerlerine ulaşıldığında gerçekleştiği tespit edildi. Daha sonra bu değer "Roel numarası" olarak tanımlanmıştır. Onu inceleyen araştırmacının adını almıştır. Deneylerin sonuçları, Arşimet kuvvetlerinin etkisi altındaki ısı akışlarının hareketini açıklamayı mümkün kıldı.
Konveksiyon türleri
Tarif ettiğimiz fenomenin birkaç türü vardır - doğal ve zorlamalı konveksiyon. Bir odanın ortasındaki sıcak ve soğuk hava akışlarının hareketinin bir örneği, doğal konveksiyon sürecini karakterize etmenin en iyi yoludur. Zorlama ise sıvıyı kaşık, pompa veya karıştırıcı ile karıştırırken görülebilir.
Katı maddeler ısıtıldığında konveksiyon imkansızdır. Bu, katı parçacıklarının titreşimi sırasında oldukça güçlü karşılıklı çekimden kaynaklanmaktadır. Katı yapı gövdelerinin ısınması sonucunda konveksiyon ve radyasyon oluşmaz. Termal iletkenlik, bu tür cisimlerde bu fenomenlerin yerini alır ve termal enerjinin transferine katkıda bulunur.
Kılcal konveksiyon denilen şey ayrı bir türdür. İşlem, sıvının borulardan hareketi sırasında sıcaklık değiştiğinde gerçekleşir. Doğal koşullar altında, doğal ve zorunlu taşınımla birlikte bu tür taşınımın önemi son derece önemsizdir. Ancak uzay teknolojisinde kapiler konveksiyon, radyasyon ve malzemelerin termal iletkenliği çok önemli faktörler haline gelmektedir. Ağırlıksız koşullar altında en zayıf konvektif hareketler bile bazı teknik görevlerin uygulanmasını zorlaştırır.
Yer kabuğunun katmanlarındaki konveksiyon
Konveksiyon süreçleri, yer kabuğunun kalınlığındaki gaz halindeki maddelerin doğal oluşumu ile ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır. Küre, birkaç eş merkezli katmandan oluşan bir küre olarak düşünülebilir. Tam merkezde, demir içeren yüksek yoğunluklu bir sıvı kütle olan büyük bir sıcak çekirdek vardır.nikel ve diğer metaller.
Dünyanın çekirdeğini çevreleyen katmanlar litosfer ve yarı sıvı mantodur. Dünyanın en üst tabakası doğrudan yerkabuğudur. Litosfer, sıvı mantonun yüzeyi boyunca hareket eden serbest hareket halindeki ayrı plakalardan oluşur. Farklı bileşim ve yoğunlukta farklılık gösteren manto ve kayaların çeşitli bölümlerinin düzensiz ısınması sırasında konvektif akışlar oluşur. Okyanus tabanının doğal dönüşümü ve taşıyıcı kıtaların hareketi bu tür akışların etkisi altındadır.
Konveksiyon ve ısı iletimi arasındaki farklar
Termal iletkenlik, fiziksel bedenlerin atomik ve moleküler bileşiklerin hareketi yoluyla ısıyı aktarma yeteneği olarak anlaşılmalıdır. Metaller, molekülleri birbirleriyle yakın temas halinde oldukları için mükemmel ısı iletkenleridir. Aksine, gaz halindeki ve uçucu maddeler, zayıf ısı iletkenleri gibi davranırlar.
Konveksiyon nasıl olur? Sürecin fiziği, madde moleküllerinin kütlesinin serbest hareketinden dolayı ısı transferine dayanır. Buna karşılık, termal iletkenlik yalnızca bir fiziksel cismi oluşturan parçacıklar arasındaki enerji transferinden oluşur. Ancak, madde parçacıkları olmadan her iki süreç de imkansızdır.
Olgu örnekleri
Konveksiyonun en basit ve en anlaşılır örneği sıradan bir buzdolabının işlemidir. dolaşımsoğutma odasının borularından soğutulmuş freon gazı, üst hava katmanlarının sıcaklığında bir azalmaya yol açar. Buna göre, daha sıcak akışlar ile değiştirilen soğuk olanlar aşağı iner ve böylece ürünler soğutulur.
Buzdolabının arka panelinde yer alan ızgara, gaz sıkıştırma sırasında ünitenin kompresöründe oluşan sıcak havanın dışarı atılmasını kolaylaştıran bir eleman görevi görmektedir. Izgara soğutması da konvektif mekanizmalara dayanmaktadır. Bu nedenle buzdolabının arkasındaki alanı karıştırmanız önerilmez. Sonuçta, ancak bu durumda soğutma zorlanmadan gerçekleşebilir.
Diğer konveksiyon örnekleri, rüzgarın hareketi gibi doğal bir fenomen gözlemlenerek görülebilir. Kurak kıtalar üzerinde ısınan ve daha zorlu arazilerde soğuyan hava akımları birbirlerinin yerini almaya başlayarak hareket etmelerine ve aynı zamanda nem ve enerjiyi hareket ettirmelerine neden olur.
Süzülen kuşların ve planörlerin olasılığı konveksiyona bağlıdır. Dünya yüzeyine yakın eşit olmayan ısıtma ile daha az yoğun ve daha sıcak hava kütleleri, yükselen sürece katkıda bulunan yükselen akımların oluşumuna yol açar. Güç ve enerji harcamadan maksimum mesafelerin üstesinden gelmek için kuşların bu tür akışları bulma yeteneğine ihtiyacı vardır.
Konveksiyonun iyi örnekleri, bacalarda ve volkanik kraterlerde duman oluşumudur. Dumanın yukarı doğru hareketi, çevresine göre daha yüksek sıcaklığa ve daha düşük yoğunluğuna bağlıdır. Duman soğudukça yavaş yavaş atmosferin alt katmanlarına yerleşir. Aynen bu sebeptenzararlı maddelerin atmosfere salındığı endüstriyel borular mümkün olduğunca yüksek yapılır.
Doğadaki ve teknolojideki en yaygın konveksiyon örnekleri
Doğada, günlük yaşamda ve teknolojide gözlemlenebilen en basit, anlaşılması kolay örnekler arasında şunları vurgulamalıyız:
- ev tipi ısıtma pillerinin çalışması sırasında hava akışı;
- bulutların oluşumu ve hareketi;
- rüzgar, muson ve esintilerin hareket süreci;
- tektonik toprak levhalarının kayması;
- serbest gaz oluşumuna yol açan süreçler.
Yemek
Konveksiyon olgusu, modern ev aletlerinde, özellikle fırınlarda giderek daha fazla gerçekleşmektedir. Konveksiyonlu gaz dolabı, farklı yemekleri aynı anda farklı seviyelerde farklı sıcaklıklarda pişirmenizi sağlar. Bu, tat ve kokuların karışmasını tamamen ortadan kaldırır.
Geleneksel fırın, havayı ısıtmak için tek bir brülör kullanır ve bu da eşit olmayan ısı dağılımına neden olur. Özel bir fan yardımıyla sıcak hava akışlarının amaçlı hareketi nedeniyle, konveksiyon fırınındaki yemekler daha sulu ve daha iyi pişirilir. Bu tür cihazlar daha hızlı ısınır ve bu da yemek pişirmek için gereken süreyi az altır.
Elbette yılda sadece birkaç kez fırında yemek pişiren ev hanımları içinkonveksiyonun işlevi, ilk gereklilik tekniği olarak adlandırılamaz. Ancak mutfak deneyleri olmadan yaşayamayanlar için böyle bir cihaz mutfakta vazgeçilmez olacak.
Sunulan materyalin sizin için yararlı olduğunu umuyoruz. İyi şanslar!
