Konwekcja

Symulacja konwekcji termicznej w płaszczu Ziemi . Gorące obszary są pokazane na czerwono, zimne obszary są pokazane na niebiesko. Gorący, mniej gęsty materiał na dole porusza się w górę, podobnie zimny materiał z góry porusza się w dół.

Konwekcja to jedno- lub wielofazowy przepływ płynu , który zachodzi spontanicznie w wyniku połączonego wpływu niejednorodności właściwości materiału i sił działających na płyn , najczęściej gęstości i grawitacji (patrz wypór ). Gdy przyczyna konwekcji nie jest określona, można założyć konwekcję spowodowaną skutkami rozszerzalności cieplnej i wyporu. Konwekcja może również zachodzić w miękkich ciałach stałych lub mieszaninach , w których cząstki mogą płynąć.

Przepływ konwekcyjny może być przejściowy (na przykład gdy rozdziela się wielofazowa mieszanina oleju i wody ) lub w stanie ustalonym (patrz Komórka konwekcyjna ). Konwekcja może być spowodowana grawitacyjnymi , elektromagnetycznymi lub fikcyjnymi ciałami. Wymiana ciepła przez naturalną konwekcję odgrywa rolę w strukturze ziemskiej atmosfery , oceanów i płaszcza . Dyskretne komórki konwekcyjne w atmosferze można rozpoznać po chmurach , przy czym silniejsza konwekcja powoduje burze . Naturalna konwekcja odgrywa również rolę w fizyce gwiazd . Konwekcja jest często kategoryzowana lub opisywana na podstawie głównego efektu powodującego przepływ konwekcyjny, np. konwekcja termiczna.

Obraz termowizyjny nowo zapalonego czajnika Ghillie . Widoczny jest pióropusz gorącego powietrza powstałego w wyniku prądu konwekcyjnego.

Konwekcja nie może zachodzić w większości ciał stałych, ponieważ ani masowy przepływ prądu, ani znacząca dyfuzja materii nie mogą mieć miejsca. Konwekcja ziarnista jest podobnym zjawiskiem w materiale ziarnistym zamiast w płynach. Adwekcja to płynny ruch tworzony przez prędkość zamiast gradientów termicznych. Konwekcyjne przenoszenie ciepła to celowe wykorzystanie konwekcji jako metody wymiany ciepła .

Historia

W latach trzydziestych XIX wieku w The Bridgewater Treatises termin konwekcja został potwierdzony w sensie naukowym. W traktacie VIII Williama Prouta , w książce o chemii , jest napisane:

[...] Ten ruch ciepła odbywa się na trzy sposoby, co bardzo dobrze ilustruje zwykły kominek. Jeśli na przykład postawimy termometr bezpośrednio przed ogniem, to wkrótce zacznie się on podnosić, wskazując na wzrost temperatury. W tym przypadku ciepło przedostało się przez przestrzeń między ogniem a termometrem w procesie zwanym promieniowaniem . Jeśli umieścimy drugi termometr w kontakcie z jakąkolwiek częścią rusztu, z dala od bezpośredniego wpływu ognia, przekonamy się, że ten termometr również oznacza wzrost temperatury; ale tutaj ciepło musiało przejść przez metal kraty, przez tak zwane przewodzenie . Wreszcie trzeci termometr umieszczony w kominie, z dala od bezpośredniego wpływu ognia, również wskaże znaczny wzrost temperatury; w tym przypadku część powietrza przechodzącego przez ogień iw jego pobliżu nagrzała się i uniosła komin do temperatury uzyskanej od ognia. Obecnie w naszym języku nie ma jednego terminu używanego do określenia tego trzeciego sposobu rozchodzenia się ciepła; ale ośmielamy się zaproponować w tym celu termin konwekcja [w przypisie: [łac.] Convectio , przenoszenie lub przenoszenie], który nie tylko wyraża wiodący fakt, ale także bardzo dobrze zgadza się z dwoma innymi terminami.

Później, w tym samym traktacie VIII, w książce o meteorologii , pojęcie konwekcji odnosi się również do „procesu, w którym ciepło jest przekazywane przez wodę”.

Terminologia

Obecnie słowo konwekcja ma różne, ale powiązane zastosowania w różnych kontekstach lub zastosowaniach naukowych lub inżynierskich.

W mechanice płynów konwekcja ma szersze znaczenie: odnosi się do ruchu płynu napędzanego przez różnicę gęstości (lub inną właściwość) .

W termodynamice konwekcja często odnosi się do wymiany ciepła przez konwekcję , gdzie przedrostek Konwekcja naturalna jest używany do odróżnienia koncepcji mechaniki płynów konwekcji (omówionej w tym artykule) od konwekcyjnego przenoszenia ciepła .

Niektóre zjawiska, które powodują efekt powierzchownie podobny do efektu komórki konwekcyjnej, mogą być również (niedokładnie) określane jako forma konwekcji, np. konwekcja termokapilarna i konwekcja granularna .

Mechanizmy

Konwekcja może zachodzić w płynach we wszystkich skalach większych niż kilka atomów. Istnieje wiele okoliczności, w których powstają siły wymagane do konwekcji, co prowadzi do różnych typów konwekcji, opisanych poniżej. Mówiąc ogólnie, konwekcja powstaje z powodu sił ciała działających w płynie, takich jak grawitacja.

Naturalna konwekcja

Komórki Rayleigha-Bénarda .

Ten kolorowy obraz Schlierena ukazuje konwekcję termiczną pochodzącą z przewodnictwa ciepła z ludzkiej dłoni (na sylwetce) do otaczającej nieruchomej atmosfery, początkowo przez dyfuzję z ręki do otaczającego powietrza, a następnie również jako adwekcję, ponieważ ciepło powoduje, że powietrze zaczyna się poruszać się w górę.

Konwekcja naturalna to rodzaj przepływu, ruchu cieczy, takiej jak woda lub gazu, takiego jak powietrze, w którym ruch płynu nie jest generowany przez żadne zewnętrzne źródło (takie jak pompa, wentylator, urządzenie ssące itp.), ale przez niektóre części płynu są cięższe niż inne części. W większości przypadków prowadzi to do naturalnej cyrkulacji , zdolności płynu w układzie do ciągłej cyrkulacji, z grawitacją i możliwymi zmianami energii cieplnej. Siłą napędową konwekcji naturalnej jest grawitacja. Na przykład, jeśli na gorętszym, mniej gęstym powietrzu znajduje się warstwa zimnego, gęstego powietrza, grawitacja silniej przyciąga gęstszą warstwę na górze, więc opada, podczas gdy gorętsze, mniej gęste powietrze unosi się, aby zająć jego miejsce. Tworzy to przepływ obiegowy: konwekcję. Ponieważ opiera się na grawitacji, nie ma konwekcji w środowiskach swobodnego spadku ( bezwładności ), takich jak orbitująca Międzynarodowa Stacja Kosmiczna. Naturalna konwekcja może wystąpić, gdy występują gorące i zimne obszary powietrza lub wody, ponieważ zarówno woda, jak i powietrze stają się mniej gęste po podgrzaniu. Ale na przykład w oceanach na świecie występuje również z powodu tego, że słona woda jest cięższa niż woda słodka, więc warstwa słonej wody na warstwie świeższej wody również spowoduje konwekcję.

Konwekcja naturalna przyciągnęła wiele uwagi naukowców ze względu na jej obecność zarówno w przyrodzie, jak i zastosowaniach inżynierskich. W naturze komórki konwekcyjne utworzone z powietrza unoszącego się nad lądem lub wodą ogrzaną słońcem są główną cechą wszystkich systemów pogodowych. Konwekcja jest również widoczna we wznoszącej się chmurze gorącego powietrza z ognia , tektonice płyt , prądach oceanicznych ( cyrkulacja termohalinowa ) i formowaniu się wiatru morskiego (gdzie konwekcja w górę jest również modyfikowana przez siły Coriolisa ). W zastosowaniach inżynierskich konwekcja jest powszechnie wizualizowana w tworzeniu mikrostruktur podczas chłodzenia stopionych metali oraz przepływów płynu wokół osłoniętych żeber rozpraszających ciepło i stawów słonecznych. Bardzo powszechnym przemysłowym zastosowaniem konwekcji naturalnej jest swobodne chłodzenie powietrzem bez pomocy wentylatorów: może się to zdarzyć na małą skalę (chipy komputerowe) lub na wielkoskalowy sprzęt procesowy.

Naturalna konwekcja będzie bardziej prawdopodobna i szybsza przy większej zmienności gęstości między dwoma płynami, większym przyspieszeniu spowodowanym grawitacją, która napędza konwekcję lub większej odległości przez ośrodek konwekcyjny. Naturalna konwekcja będzie mniej prawdopodobna i mniej szybka przy szybszej dyfuzji (w ten sposób rozpraszając gradient termiczny powodujący konwekcję) lub bardziej lepkim (lepkim) płynie.

Początek konwekcji naturalnej można określić liczbą Rayleigha ( Ra ).

Należy zauważyć, że różnice w wyporności w płynie mogą wynikać z innych przyczyn niż zmiany temperatury, w którym to przypadku ruch płynu nazywany jest konwekcją grawitacyjną (patrz poniżej). Jednak wszystkie rodzaje konwekcji wyporu, w tym konwekcja naturalna, nie występują w środowiskach mikrograwitacyjnych . Wszystkie wymagają obecności środowiska, w którym występuje siła przeciążenia ( właściwe przyspieszenie ).

Różnica gęstości w płynie jest kluczowym mechanizmem napędowym. Jeśli różnice gęstości są spowodowane ciepłem, siła ta nazywana jest „głową termiczną” lub „głowicą termiczną”. System płynów zaprojektowany do naturalnej cyrkulacji będzie miał źródło ciepła i radiator . Każdy z nich ma kontakt z częścią płynu w układzie, ale nie z całością. Źródło ciepła jest umieszczone niżej niż radiator.

Większość materiałów, które są płynne w typowych temperaturach, rozszerza się po podgrzaniu, stając się mniej gęste . Odpowiednio, stają się gęstsze, gdy są chłodzone. W źródle ciepła systemu naturalnej cyrkulacji ogrzany płyn staje się lżejszy niż otaczający go płyn, a zatem unosi się. Przy radiatorze pobliski płyn staje się gęstszy w miarę stygnięcia i jest ściągany w dół przez grawitację. Efekty te razem powodują przepływ płynu ze źródła ciepła do radiatora iz powrotem.

Konwekcja grawitacyjna lub pływająca

Konwekcja grawitacyjna jest rodzajem konwekcji naturalnej wywołanej zmianami wyporu wynikającymi z właściwości materiału innych niż temperatura. Zwykle jest to spowodowane zmiennym składem płynu. Jeśli zmienną właściwością jest gradient stężenia, nazywa się to konwekcją solutalną . Na przykład konwekcję grawitacyjną można zaobserwować w dyfuzji źródła suchej soli w dół do mokrej gleby w wyniku wyporu świeżej wody w solance.

Zmienne zasolenie wody i zmienna zawartość wody w masach powietrza są częstymi przyczynami konwekcji w oceanach i atmosferze, które nie obejmują ciepła lub obejmują dodatkowe czynniki gęstości składu inne niż zmiany gęstości spowodowane rozszerzalnością cieplną (patrz cyrkulacja termohalinowa ) . Podobnie zmienny skład wnętrza Ziemi, który nie osiągnął jeszcze maksymalnej stabilności i minimalnej energii (innymi słowy, z najgęstszymi częściami najgłębszymi) nadal powoduje ułamek konwekcji płynnej skały i stopionego metalu we wnętrzu Ziemi (patrz poniżej) .

Konwekcja grawitacyjna, podobnie jak naturalna konwekcja termiczna, wymaga również środowiska o sile przeciążenia , aby mogła zaistnieć.

Konwekcja ciała stałego w lodzie

konwekcja lodu na Plutonie zachodzi w miękkiej mieszaninie lodu z azotu i lodu z tlenku węgla . Zaproponowano również dla Europy i innych ciał w zewnętrznym Układzie Słonecznym.

Konwekcja termomagnetyczna

Konwekcja termomagnetyczna może wystąpić, gdy zewnętrzne pole magnetyczne zostanie nałożone na ferrofluid o zmiennej podatności magnetycznej . W obecności gradientu temperatury powoduje to nierównomierną siłę magnetyczną ciała, co prowadzi do ruchu płynu. Ferrofluid to ciecz, która pod wpływem pola magnetycznego staje się silnie namagnesowana .

Spalanie

W środowisku o zerowej grawitacji nie mogą istnieć siły wyporu, a zatem nie jest możliwa konwekcja, więc płomienie w wielu okolicznościach bez grawitacji tłumią własne gazy odlotowe. Rozszerzalność cieplna i reakcje chemiczne, w wyniku których powstają gazy rozszerzające się i kurczące, umożliwiają wentylację płomienia, ponieważ gazy odlotowe są wypierane przez chłodny, świeży, bogaty w tlen gaz. porusza się, aby zająć strefy niskiego ciśnienia utworzone podczas skraplania wody wylotowej płomienia.

Przykłady i zastosowania

Systemy naturalnej cyrkulacji obejmują tornada i inne systemy pogodowe , prądy oceaniczne i wentylację gospodarstw domowych . Niektóre słoneczne podgrzewacze wody wykorzystują naturalny obieg. Prąd Zatokowy krąży w wyniku parowania wody. W tym procesie woda zwiększa zasolenie i gęstość. W północnym Atlantyku woda staje się tak gęsta, że zaczyna opadać.

Konwekcja występuje na dużą skalę w atmosferach , oceanach, płaszczach planetarnych i zapewnia mechanizm przenoszenia ciepła dla dużej części najbardziej zewnętrznych wnętrz Słońca i wszystkich gwiazd. Ruch płynu podczas konwekcji może być niewidocznie powolny lub oczywisty i szybki, jak podczas huraganu . Uważa się, że w skalach astronomicznych konwekcja gazu i pyłu zachodzi w dyskach akrecyjnych czarnych dziur z prędkościami, które mogą być zbliżone do prędkości światła.

Eksperymenty demonstracyjne

Cyrkulacja termiczna mas powietrza

Konwekcję termiczną w cieczach można zademonstrować umieszczając źródło ciepła (np. palnik Bunsena ) z boku pojemnika z cieczą. Dodanie do wody barwnika (np. barwnika spożywczego) umożliwi wizualizację przepływu.

Inny powszechny eksperyment mający na celu zademonstrowanie konwekcji termicznej w cieczach polega na zanurzeniu otwartych pojemników z gorącą i zimną cieczą zabarwioną barwnikiem w dużym pojemniku z tą samą cieczą bez barwnika w temperaturze pośredniej (np. słoik gorącej wody z kranu zabarwiony na czerwono, słoik z woda schłodzona w lodówce zabarwiona na niebiesko, obniżona do przezroczystego zbiornika z wodą o temperaturze pokojowej).

Trzecie podejście polega na użyciu dwóch identycznych słoików, jednego wypełnionego gorącą wodą zabarwioną na jeden kolor i zimną wodą innego koloru. Następnie jeden słoik jest tymczasowo zapieczętowany (np. kartką), odwrócony i umieszczony na drugim. Po wyjęciu karty, jeśli słoik z cieplejszym płynem zostanie umieszczony na wierzchu, konwekcja nie nastąpi. Jeśli słoik z zimniejszą cieczą zostanie umieszczony na górze, prąd konwekcyjny utworzy się samoistnie.

Konwekcję w gazach można zademonstrować za pomocą świecy w zamkniętej przestrzeni z otworem wlotowym i wylotowym. Ciepło ze świecy spowoduje silny prąd konwekcyjny, który można wykazać za pomocą wskaźnika przepływu, takiego jak dym z innej świecy, uwalnianego odpowiednio w pobliżu obszarów wlotu i wylotu.

Podwójna konwekcja dyfuzyjna

Komórki konwekcyjne

Komórki konwekcyjne w polu grawitacyjnym

Komórka konwekcyjna , znana również jako komórka Bénarda , jest charakterystycznym wzorem przepływu płynu w wielu systemach konwekcyjnych. Wznoszący się płyn zwykle traci ciepło, ponieważ napotyka zimniejszą powierzchnię. W cieczy dzieje się tak, ponieważ wymienia ciepło z zimniejszą cieczą poprzez bezpośrednią wymianę. Na przykładzie atmosfery ziemskiej dzieje się tak, ponieważ promieniuje ona ciepło. Z powodu tej utraty ciepła płyn staje się gęstszy niż płyn pod nim, który wciąż się unosi. Ponieważ nie może zejść przez wznoszący się płyn, porusza się na jedną stronę. W pewnej odległości jego siła skierowana w dół pokonuje siłę wznoszącą się pod nim i płyn zaczyna opadać. Gdy opada, ponownie się nagrzewa i cykl się powtarza.

Konwekcja atmosferyczna

Cyrkulacja atmosferyczna

Wyidealizowane przedstawienie globalnego obiegu na Ziemi

Cyrkulacja atmosferyczna jest ruchem powietrza na dużą skalę i jest sposobem dystrybucji energii cieplnej na powierzchni Ziemi wraz ze znacznie wolniejszym (opóźnionym) systemem cyrkulacji oceanicznej. Wielkoskalowa struktura cyrkulacji atmosferycznej zmienia się z roku na rok, ale podstawowa struktura klimatologiczna pozostaje dość stała.

Cyrkulacja równoleżnikowa występuje, ponieważ padające promieniowanie słoneczne na jednostkę powierzchni jest najwyższe na równiku ciepła i maleje wraz ze wzrostem szerokości geograficznej , osiągając minima na biegunach. Składa się z dwóch głównych komórek konwekcyjnych, komórki Hadleya i wiru polarnego , przy czym komórka Hadleya doświadcza silniejszej konwekcji z powodu uwolnienia utajonej energii cieplnej w wyniku kondensacji pary wodnej na większych wysokościach podczas tworzenia się chmur.

Z drugiej strony cyrkulacja wzdłużna ma miejsce, ponieważ ocean ma wyższą pojemność cieplną właściwą niż ląd (a także przewodność cieplną , co umożliwia penetrację ciepła głębiej pod powierzchnię), a tym samym pochłania i uwalnia więcej ciepła , ale temperatura zmienia się mniej niż ziemia. Powoduje to, że bryza morska, powietrze schłodzone przez wodę, dociera na brzeg w ciągu dnia i przenosi bryzę lądową, powietrze schłodzone przez kontakt z ziemią, na morze w nocy. Krążenie podłużne składa się z dwóch komórek, krążenia Walkera i El Niño / Southern Oscillation .

Pogoda

Jak powstaje Foehn

Niektóre bardziej zlokalizowane zjawiska niż globalny ruch atmosferyczny są również spowodowane konwekcją, w tym wiatrem i niektórymi cyklami hydrologicznymi . Na przykład wiatr fenowy to wiatr opadający, który występuje po zawietrznej stronie pasma górskiego. Wynika to z adiabatycznego ocieplenia powietrza, które zrzuciło większość swojej wilgoci na zboczach nawietrznych. Ze względu na różne szybkości upływu adiabatycznego powietrza wilgotnego i suchego, powietrze na zboczach zawietrznych staje się cieplejsze niż na tej samej wysokości na zboczach nawietrznych.

Kolumna termiczna (lub termiczna) to pionowa sekcja wznoszącego się powietrza na niższych wysokościach atmosfery ziemskiej. Termika powstaje w wyniku nierównomiernego nagrzewania się powierzchni Ziemi przez promieniowanie słoneczne. Słońce ogrzewa ziemię, która z kolei ogrzewa powietrze bezpośrednio nad nią. Cieplejsze powietrze rozszerza się, stając się mniej gęste niż otaczająca masa powietrza i tworząc niższą temperaturę . Masa lżejszego powietrza unosi się, a przy tym ochładza się poprzez rozprężanie przy niższych ciśnieniach powietrza. Przestaje się podnosić, gdy ostygnie do tej samej temperatury, co otaczające powietrze. Z termiką związany jest przepływ w dół otaczający kolumnę termiczną. Zewnętrzna część poruszająca się w dół jest spowodowana wypieraniem zimniejszego powietrza w górnej części komina termicznego. Innym efektem pogodowym wywołanym konwekcją jest morska bryza .

Etapy życia burzy.

Ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość niż chłodne powietrze, więc ciepłe powietrze unosi się w chłodniejszym powietrzu, podobnie jak balony na ogrzane powietrze . Chmury tworzą się, gdy stosunkowo cieplejsze powietrze niosące wilgoć unosi się w chłodniejszym powietrzu. skraplanie części pary wodnej w unoszącym się pakiecie powietrza . Kiedy wilgoć skrapla się, uwalnia energię znaną jako utajone ciepło skraplania, które pozwala unoszącemu się pakietowi powietrza ochłodzić się mniej niż powietrze otaczające, kontynuując wznoszenie się chmury. Jeśli atmosfera jest wystarczająco niestabilna , proces ten będzie trwał wystarczająco długo, aby uformowały się chmury Cumulonimbus , które wspierają błyskawice i grzmoty. Ogólnie rzecz biorąc, burze wymagają trzech warunków do powstania: wilgoci, niestabilnej masy powietrza i siły nośnej (ciepło).

Wszystkie burze , niezależnie od rodzaju, przechodzą przez trzy etapy: fazę rozwoju , fazę dojrzałości i fazę rozproszenia . Średnia burza ma średnicę 24 km (15 mil). W zależności od warunków panujących w atmosferze, przejście tych trzech etapów zajmuje średnio 30 minut.

Cyrkulacja oceaniczna

prądy oceaniczne

Promieniowanie słoneczne wpływa na oceany: ciepła woda znad równika ma tendencję do przemieszczania się w kierunku biegunów , podczas gdy zimna woda polarna kieruje się w stronę równika. Prądy powierzchniowe są początkowo podyktowane warunkami wiatru powierzchniowego. Pasaty wieją na zachód w tropikach, a wiatry zachodnie wieją na wschód na średnich szerokościach geograficznych. Ten wzór wiatru wywiera naprężenia na subtropikalną powierzchnię oceanu z ujemnym zawijaniem na półkuli północnej i odwrotnie na półkuli południowej . Wynikowy transport Sverdrup jest skierowany na równik. Ze względu na zachowanie potencjalnej wirowości powodowanej przez wiatry przemieszczające się w kierunku bieguna na zachodnich obrzeżach subtropikalnego grzbietu oraz zwiększoną względną wirowość wody poruszającej się w kierunku bieguna, transport jest równoważony przez wąski, przyspieszający prąd biegunowy, który płynie wzdłuż zachodniej granicy basenu oceanicznego, przewyższając skutki tarcia z zimnym zachodnim prądem granicznym, pochodzącym z dużych szerokości geograficznych. Ogólny proces, znany jako intensyfikacja zachodnia, powoduje, że prądy na zachodniej granicy basenu oceanicznego są silniejsze niż na wschodniej granicy.

Poruszając się w kierunku bieguna, ciepła woda transportowana przez silny prąd ciepłej wody ulega ochłodzeniu przez odparowanie. Chłodzenie jest napędzane wiatrem: wiatr poruszający się nad wodą chłodzi wodę, a także powoduje parowanie , pozostawiając bardziej zasoloną solankę. W tym procesie woda staje się bardziej słona i gęstsza. i obniża temperaturę. Po utworzeniu lodu morskiego sole są usuwane z lodu, co jest procesem znanym jako wykluczanie solanki. Te dwa procesy wytwarzają wodę, która jest gęstsza i zimniejsza. Woda w północnym Atlantyku staje się tak gęsta, że zaczyna opadać przez mniej słone i mniej gęste wody. (Ta konwekcja na otwartym oceanie jest podobna do konwekcji lampy lawowej .) Ten prąd zstępujący ciężkiej, zimnej i gęstej wody staje się częścią północnoatlantyckiej głębokiej wody , strumienia płynącego na południe.

Konwekcja płaszcza

Płyta oceaniczna jest dodawana przez upwelling (po lewej) i zużywana w strefie subdukcji (po prawej).

Konwekcja płaszcza to powolny ruch pełzający skalistego płaszcza Ziemi spowodowany przez prądy konwekcyjne przenoszące ciepło z wnętrza Ziemi na powierzchnię. Jest to jedna z 3 sił napędowych, które powodują ruch płyt tektonicznych wokół powierzchni Ziemi.

Powierzchnia Ziemi jest podzielona na kilka płyt tektonicznych , które są stale tworzone i konsumowane na przeciwległych granicach płyt. Tworzenie ( akrecja ) następuje, gdy płaszcz jest dodawany do rosnących krawędzi płyty. Ten dodany na gorąco materiał ochładza się przez przewodzenie i konwekcję ciepła. Na krawędziach konsumpcyjnych płyty materiał skurczył się termicznie, aby stać się gęsty i tonie pod własnym ciężarem w procesie subdukcji w rowie oceanicznym. Ten subdukowany materiał opada na pewną głębokość we wnętrzu Ziemi, gdzie nie wolno mu dalej tonąć. Subdukowana skorupa oceaniczna wyzwala wulkanizm.

Konwekcja w płaszczu Ziemi jest siłą napędową tektoniki płyt . Konwekcja płaszcza jest wynikiem gradientu termicznego: dolny płaszcz jest gorętszy niż górny , a zatem ma mniejszą gęstość. Tworzy to dwa podstawowe typy niestabilności. W pierwszym typie pióropusze unoszą się z dolnego płaszcza, a odpowiadające im niestabilne obszary litosfery kapią z powrotem do płaszcza. W drugim typie subdukujące płyty oceaniczne (które w dużej mierze stanowią górną termiczną warstwę graniczną płaszcza) zanurzają się z powrotem w płaszcz i przesuwają się w dół w kierunku granicy rdzeń- płaszcz . Konwekcja płaszcza zachodzi z szybkością centymetrów rocznie, a zakończenie cyklu konwekcji zajmuje setki milionów lat.

Pomiary strumienia neutrin z jądra Ziemi (patrz kamLAND ) pokazują, że źródłem około dwóch trzecich ciepła w jądrze wewnętrznym jest rozpad promieniotwórczy ⁴⁰ K , uranu i toru. To pozwoliło tektonice płyt na Ziemi trwać znacznie dłużej, niż gdyby była po prostu napędzana ciepłem pozostałym po formowaniu się Ziemi; lub z ciepłem wytwarzanym z grawitacyjnej energii potencjalnej , w wyniku fizycznego przegrupowania gęstszych części wnętrza Ziemi w kierunku centrum planety (tj. rodzaj przedłużonego opadania i opadania).

Efekt stosu

Efekt stosu lub efekt komina to ruch powietrza do iz budynków, kominów, kominów spalin lub innych pojemników w wyniku wyporu. Pływalność występuje z powodu różnicy w gęstości powietrza wewnątrz i na zewnątrz, wynikającej z różnic temperatury i wilgotności. Im większa różnica temperatur i wysokość konstrukcji, tym większa siła wyporu, a tym samym efekt stosu. Efekt stosu pomaga napędzać naturalną wentylację i infiltrację. Niektóre wieże chłodnicze działają na tej zasadzie; podobnie wieża prądu wstępującego jest proponowanym urządzeniem do generowania energii elektrycznej w oparciu o efekt stosu.

Fizyka gwiazd

Ilustracja budowy Słońca i czerwonego olbrzyma , pokazująca ich strefy konwekcyjne. Są to ziarniste strefy w zewnętrznych warstwach tych gwiazd.

Strefa konwekcji gwiazdy to zakres promieni, w których energia jest transportowana na zewnątrz z obszaru jądra głównie przez konwekcję, a nie promieniowanie . Dzieje się tak przy promieniach, które są na tyle nieprzezroczyste , że konwekcja jest bardziej wydajna w transporcie energii niż promieniowanie.

Granulki na fotosferze Słońca to widoczne wierzchołki komórek konwekcyjnych w fotosferze, spowodowane konwekcją plazmy w fotosferze. Wznosząca się część granulek znajduje się w środku, gdzie plazma jest gorętsza. Zewnętrzna krawędź granulek jest ciemniejsza z powodu opadającej chłodniejszej plazmy. Typowa granulka ma średnicę rzędu 1000 kilometrów i każda trwa od 8 do 20 minut przed rozproszeniem. Poniżej fotosfery znajduje się warstwa znacznie większych „supergranulek” o średnicy do 30 000 kilometrów i długości życia do 24 godzin.

Konwekcja wody w temperaturach ujemnych

Woda jest cieczą, która nie podlega przybliżeniu Boussinesqa. Dzieje się tak, ponieważ jego gęstość zmienia się nieliniowo wraz z temperaturą, co powoduje, że jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest niespójny w pobliżu temperatur zamarzania. Gęstość wody osiąga maksimum w temperaturze 4°C i maleje wraz ze zmianą temperatury. Zjawisko to jest badane metodami eksperymentalnymi i numerycznymi. Woda początkowo stoi w miejscu o temperaturze 10°C w kwadratowej wnęce. Jest różnie ogrzewany między dwiema pionowymi ścianami, gdzie lewa i prawa ściana są utrzymywane odpowiednio w temperaturze 10 ° C i 0 ° C. Anomalia gęstości przejawia się we wzorcu przepływu. Gdy woda ochładza się przy prawej ścianie, gęstość wzrasta, co przyspiesza przepływ w dół. Wraz z rozwojem przepływu i dalszym ochładzaniem wody spadek gęstości powoduje prąd recyrkulacyjny w prawym dolnym rogu wnęki.

Innym przypadkiem tego zjawiska jest zjawisko przechłodzenia , w którym woda jest schładzana do temperatury poniżej zera, ale nie zaczyna natychmiast zamarzać. W tych samych warunkach, co poprzednio, rozwija się przepływ. Następnie temperatura prawej ściany spada do -10°C. To powoduje, że woda na tej ścianie zostaje przechłodzona, tworzy przepływ w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i początkowo pokonuje ciepły prąd. Ten pióropusz jest spowodowany opóźnieniem zarodkowania lodu . Gdy lód zacznie się formować, przepływ powraca do podobnego schematu jak poprzednio, a krzepnięcie rozprzestrzenia się stopniowo, aż przepływ zostanie ponownie rozwinięty.

Reaktor nuklearny

W reaktorze jądrowym kryterium projektowym może być naturalna cyrkulacja. Osiąga się to poprzez zmniejszenie turbulencji i tarcia w przepływie płynu (to znaczy minimalizację strat ciśnienia ) oraz zapewnienie możliwości usunięcia niedziałających pomp ze ścieżki płynu. Ponadto reaktor (jako źródło ciepła) musi być fizycznie niższy niż generatory pary lub turbiny (radiator). W ten sposób naturalna cyrkulacja zapewni, że płyn będzie płynął tak długo, jak długo reaktor będzie miał wyższą temperaturę niż radiator, nawet jeśli pompy nie będą mogły być zasilane. Godnymi uwagi przykładami są reaktory marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych S5G i S8G , które zostały zaprojektowane do pracy ze znaczną częścią pełnej mocy w naturalnym obiegu, wyciszając te elektrownie. Reaktor S6G nie może działać z mocą w warunkach naturalnego obiegu, ale może go używać do utrzymywania chłodzenia awaryjnego podczas wyłączenia.

Ze względu na naturalną cyrkulację płyny zwykle nie poruszają się bardzo szybko, ale niekoniecznie jest to złe, ponieważ wysokie prędkości przepływu nie są niezbędne do bezpiecznej i efektywnej pracy reaktora. W nowoczesnych reaktorach jądrowych odwrócenie przepływu jest prawie niemożliwe. Wszystkie reaktory jądrowe, nawet te zaprojektowane z myślą o wykorzystywaniu naturalnej cyrkulacji jako głównej metody cyrkulacji płynu, są wyposażone w pompy, które mogą cyrkulować płyn w przypadku, gdy naturalny obieg nie jest wystarczający.

Matematyczne modele konwekcji

Wyprowadzono szereg terminów bezwymiarowych do opisu i przewidywania konwekcji, w tym liczbę Archimedesa , liczbę Grashofa , liczbę Richardsona i liczbę Rayleigha .

W przypadku konwekcji mieszanej (naturalnej i wymuszonej występującej razem) często chciałoby się wiedzieć, w jakim stopniu konwekcja wynika z ograniczeń zewnętrznych, takich jak prędkość płynu w pompie, a w jakim stopniu konwekcja naturalna występująca w układzie .

Względne wielkości liczby Grashofa i kwadratu liczby Reynoldsa określają, która forma konwekcji dominuje. Jeśli ${\ Displaystyle {\ rm {Gr / Re ^ {2} \ gg 1}}}$ wymuszoną konwekcję można zaniedbać, natomiast jeśli ${\ displaystyle { \rm {Gr/Re^{2}\ll 1}}}$ , konwekcję naturalną można pominąć. Jeśli stosunek, znany jako liczba Richardsona , wynosi w przybliżeniu jeden, wówczas należy wziąć pod uwagę zarówno konwekcję wymuszoną, jak i naturalną.

Początek

Początek konwekcji naturalnej określa liczba Rayleigha ( Ra ). Ta bezwymiarowa liczba jest dana przez

{\ Displaystyle {\ textbf {Ra}} = {\ Frac {\ Delta \ rho gL ^ {3}} {D \ mu}}}

Gdzie

${\ Displaystyle \ Delta \ rho}$ to różnica gęstości między dwoma mieszanymi paczkami materiału
${\ displaystyle g}$ to lokalne przyspieszenie grawitacyjne
${\ displaystyle L}$ to charakterystyczna skala długości konwekcji: na przykład głębokość wrzącego garnka
jest dyfuzyjnością cechy powodującej konwekcję i. ${\ displaystyle D}$
${\ displaystyle \ mu}$ to lepkość dynamiczna .

Naturalna konwekcja będzie bardziej prawdopodobna i/lub szybsza przy większej zmienności gęstości między dwoma płynami, większym przyspieszeniu spowodowanym grawitacją, która napędza konwekcję, i/lub większej odległości przez ośrodek konwekcyjny. Konwekcja będzie mniej prawdopodobna i/lub mniej szybka przy szybszej dyfuzji (w ten sposób rozpraszając gradient powodujący konwekcję) i/lub bardziej lepkim (lepkim) płynie.

W przypadku konwekcji termicznej spowodowanej ogrzewaniem od dołu, jak opisano w kotle do gotowania powyżej, równanie jest modyfikowane pod kątem rozszerzalności cieplnej i dyfuzyjności cieplnej. Zmiany gęstości spowodowane rozszerzalnością cieplną są określone wzorem:

{\ Displaystyle \ Delta \ rho = \ rho _ {0} \ beta \ Delta T}

Gdzie

${\ Displaystyle \ rho _ {0}}$ to gęstość odniesienia, zwykle wybierana jako średnia gęstość ośrodka,
${\ displaystyle \ beta}$ jest współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i
${\ displaystyle \ Delta T}$ to różnica temperatur w ośrodku.

Ogólna dyfuzyjność jest ponownie definiowana jako dyfuzyjność termiczna , ${\ displaystyle \ alpha$ $}$ .

{\ Displaystyle D = \ alfa}

Wstawienie tych podstawień daje liczbę Rayleigha, której można użyć do przewidywania konwekcji termicznej.

{\ Displaystyle {\ textbf {Ra}} = {\ Frac {\ rho _ {0} g \ beta \ Delta TL ^ {3}} {\ alfa \ mu}} }

Turbulencja

Tendencja określonego układu naturalnie konwekcyjnego do turbulencji opiera się na liczbie Grashofa (Gr).

{\ Displaystyle Gr = {\ Frac {g \ beta \ Delta TL ^ {3}} {\ nu ^ {2}}}}

W bardzo lepkich, lepkich płynach (duże ν ) ruch płynu jest ograniczony, a naturalna konwekcja będzie nieturbulentna.

$jest$ rzędu , zależnego od geometria układu. Dlatego liczbę Grashofa można traktować jako liczbę Reynoldsa , w której prędkość konwekcji naturalnej zastępuje prędkość we wzorze liczby Reynoldsa. Jednak w praktyce, odnosząc się do liczby Reynoldsa, należy rozumieć, że rozważa się konwekcję wymuszoną, a prędkość przyjmuje się jako prędkość narzuconą przez ograniczenia zewnętrzne (patrz poniżej).

Zachowanie

Liczbę Grashofa można sformułować dla konwekcji naturalnej występującej w wyniku gradientu stężeń , czasami określanej jako konwekcja termo-soluta. W tym przypadku stężenie gorącego płynu dyfunduje do zimnego płynu, podobnie jak atrament wlany do pojemnika z wodą dyfunduje, barwiąc całą przestrzeń. Następnie:

{\ Displaystyle Gr = {\ Frac {g \ beta \ Delta CL ^ {3}} {\ nu ^ {2}}}}

Konwekcja naturalna w dużym stopniu zależy od geometrii gorącej powierzchni, istnieją różne korelacje w celu określenia współczynnika przenikania ciepła. Ogólna korelacja, która ma zastosowanie do różnych geometrii, to

{\ Displaystyle Nu = \ lewo [Nu_ {0} ^ {\ Frac {1} {2}} + Ra^{\frac {1}{6}}\left({\frac {f_{4}\left(Pr\right)}{300}}\right)^{\frac {1}{6}}\ prawo]^{2}}

Wartość f ₄ (Pr) oblicza się za pomocą następującego wzoru

{\ Displaystyle f_ {4} (Pr) = \ lewo [1 + \ lewo ({\ Frac {0,5} {Pr}} \right)^{\frac {9}{16}}\right]^{\frac {-16}{9}}}

₀ Nu to liczba Nusselta , a wartości Nu i charakterystyczna długość użyte do obliczenia Ra są wymienione poniżej (patrz także Dyskusja):

Geometria	Charakterystyczna długość	Nu₀
Równia pochyła	x (odległość wzdłuż płaszczyzny)	0,68
Nachylony dysk	9D/11 (D = średnica)	0,56
Cylinder pionowy	x (wysokość cylindra)	0,68
Stożek	4x/5 (x = odległość wzdłuż pochyłej powierzchni)	0,54
Cylinder poziomy	${\ Displaystyle \ pi D/2}$ (D = średnica cylindra)	0,36 ${\ Displaystyle \ pi}$

Ostrzeżenie : wartości wskazane dla cylindra poziomego są nieprawidłowe ; zobacz dyskusję.

Konwekcja naturalna z pionowej płyty

Jednym z przykładów konwekcji naturalnej jest przenoszenie ciepła z izotermicznej pionowej płyty zanurzonej w płynie, powodujące ruch płynu równolegle do płyty. Będzie to miało miejsce w każdym systemie, w którym gęstość poruszającego się płynu zmienia się wraz z położeniem. Zjawiska te będą miały znaczenie tylko wtedy, gdy wymuszona konwekcja wpłynie na poruszający się płyn w minimalnym stopniu.

Biorąc pod uwagę, że przepływ płynu jest wynikiem ogrzewania, można zastosować następujące korelacje, zakładając, że płyn jest idealnym dwuatomowym, sąsiaduje z pionową płytą o stałej temperaturze i przepływ płynu jest całkowicie laminarny.

Nu _m = 0,478 (Gr ^0,25 )

Średnia liczba Nusselta = Nu _m = h _m L/k

Gdzie

h _m = średni współczynnik mający zastosowanie między dolną krawędzią płyty a dowolnym punktem w odległości L (W/m ² . K)
L = wysokość powierzchni pionowej (m)
k = przewodność cieplna (W/m.K)

liczba Grashofa = gr = ${\ Displaystyle [gL ^ {3} (t_ {s} -t_ {\ infty})] / v ^ {2} T }$

Gdzie

g = przyspieszenie grawitacyjne (m/s ² )
L = odległość powyżej dolnej krawędzi (m)
t _s = temperatura ściany (K)
t∞ = temperatura płynu poza termiczną warstwą graniczną (K)
v = lepkość kinematyczna płynu (m²/s)
T = temperatura bezwzględna (K)

, należy zastosować różne korelacje obejmujące liczbę Rayleigha (funkcję zarówno liczby Grashofa , jak i liczby Prandtla ).

Należy zauważyć, że powyższe równanie różni się od zwykłego wyrażenia na $liczbę$ Grashofa , ponieważ wartość została zastąpiona jego przybliżeniem $.$ rozsądne przybliżenie dla powietrza o ciśnieniu otoczenia).

Tworzenie wzoru

Płyn pod konwekcją Rayleigha-Bénarda : lewy obraz przedstawia pole termiczne, a prawy jego dwuwymiarową transformatę Fouriera .

Konwekcja, zwłaszcza konwekcja Rayleigha-Bénarda , w której płyn konwekcyjny jest zawarty w dwóch sztywnych poziomych płytach, jest wygodnym przykładem systemu tworzącego wzory .

Kiedy ciepło jest dostarczane do układu z jednego kierunku (zwykle od dołu), przy małych wartościach jedynie dyfunduje ( przewodzi ) od dołu do góry, nie powodując przepływu płynu. Wraz ze wzrostem przepływu ciepła, powyżej krytycznej wartości liczby Rayleigha , układ przechodzi bifurkację ze stanu stabilnego przewodzenia do stanu konwekcyjnego , w którym rozpoczyna się masowy ruch płynu pod wpływem ciepła. Jeśli parametry płynu inne niż gęstość nie zależą znacząco od temperatury, profil przepływu jest symetryczny, z tą samą objętością płynu wznoszącą się i opadającą. Jest to znane jako konwekcja Boussinesqa .

Gdy różnica temperatur między górną i dolną częścią płynu staje się większa, w płynie mogą wystąpić znaczne różnice w parametrach płynu, inne niż gęstość, z powodu temperatury. Przykładem takiego parametru jest lepkość , która może zacząć znacznie zmieniać się poziomo w poprzek warstw płynu. To łamie symetrię systemu i ogólnie zmienia wzór płynu poruszającego się w górę iw dół z pasków na sześciokąty, jak widać po prawej stronie. Takie sześciokąty są jednym z przykładów komórki konwekcyjnej .

Gdy liczba Rayleigha wzrośnie jeszcze bardziej powyżej wartości, przy której po raz pierwszy pojawiają się komórki konwekcyjne, system może przejść inne bifurkacje i mogą zacząć pojawiać się inne bardziej złożone wzory, takie jak spirale .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Mechanika płynów
Statyka płynów	Hydraulika Zasada Archimedesa
Dynamika płynów	Obliczeniowa dynamika płynów Aerodynamika Równania Naviera-Stokesa Warstwa graniczna Długość wejścia
Liczby bezwymiarowe	Archimedesa Atwood Bagnold Bejan Biot Obligacja Brinkmana Kapilarny Cauchy'ego Chandrasekhar Damköhler Darcy Dziekan Debora Dukhin Eckert Ekmana Eötvös Eulera Frude Galileusz Graetz Grashof Görtlera Hagena Iribarren Kapica Keulegan-Cieśla Knudsena Laplace'a Chwytak Mach Marangoni Mortona Nusselt Ohnesorge Peclet Prandtl magnetyczny burzliwy Rayleigha Magnetyczny Reynolds Richardsona Roszko Rossby'ego Obudzić Schmidt Scrutona Sherwooda Tarcze Stantona Stokesa Strouhal Stuarta Suratman Taylora Ursell Webera Weißenberga Womersley

Dane i zmienne meteorologiczne
Ogólny	Procesy adiabatyczne Adwekcja Pławność Wskaźnik wygaśnięcia Błyskawica Powierzchniowe promieniowanie słoneczne Analiza pogody na powierzchni Widoczność wirowość Wiatr uskok wiatru
Kondensacja	Chmura Jądra kondensacji chmur (CCN) Mgła Poziom kondensacji konwekcyjnej (CCL) Podniesiony poziom kondensacji (LCL) Opad atmosferyczny Para wodna
Konwekcja	Dostępna energia potencjalna konwekcji (CAPE) Hamowanie konwekcyjne (CIN) Niestabilność konwekcyjna Konwekcyjny transport pędu Warunkowa niestabilność symetryczna Temperatura konwekcyjna ( T _c ) Poziom równowagi (EL) Swobodna warstwa konwekcyjna (FCL) Skrętność Indeks K Poziom konwekcji swobodnej (LFC) Podniesiony indeks (LI) Maksymalny poziom paczki (MPL) Masowy numer Richardsona (BRN)
Temperatura	Punkt rosy ( Td ₎ Depresja punktu rosy Temperatura termometru suchego Temperatura równoważna ( T _e ) Indeks pogodowy pożarów lasów Indeks Hainesa Indeks ciepła Humidex Wilgotność Wilgotność względna (RH) Proporcje mieszania Potencjalna temperatura ( θ ) Równoważna temperatura potencjalna ( θ _e ) Temperatura powierzchni morza (SST) Anomalia temperaturowa Temperatura termodynamiczna Ciśnienie pary Wirtualna temperatura Temperatura mokrego termometru Temperatura mokrej kuli ziemskiej Potencjalna temperatura mokrego termometru Chłód wiatru
Ciśnienie	Ciśnienie atmosferyczne Baroklinizm Barotropowość Gradient ciśnienia Siła gradientu ciśnienia (PGF)
Prędkość	Maksymalna intensywność potencjału