CONVECȚIE: CARACTERISTICI, EXEMPLE, APLICAȚII - FIZIC - 2025

De convecție este una dintre cele trei mecanisme care căldura este transferată de la o zonă la alta mai rece mai cald. Are loc din cauza mișcării masei unui fluid, care poate fi un lichid sau un gaz. În orice caz, este necesar întotdeauna un mediu material pentru ca acest mecanism să aibă loc.

Cu cât este mai rapidă mișcarea fluidului în cauză, cu atât transferul de energie termică este mai rapid între zonele cu temperaturi diferite. Acest lucru se întâmplă continuu cu masele de aer atmosferice: flotabilitatea asigură creșterea celor mai calde și mai puțin dense în timp ce cele mai reci și mai dense coboară.

Figura 1. O cameră este răcită prin deschiderea ușii, deoarece aerul fierbinte (săgeata roșie) și mai puțin dens se ridică și scapă din ea. Sursa: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Un exemplu în acest sens este camera închisă din imagine, care este răcită imediat după ce ușile sau ferestrele sunt deschise, deoarece aerul fierbinte din interior scapă chiar și prin fisuri, dând loc aerului proaspăt din exterior care rămâne mai mult jos.

Tipuri de convecție

Convecție naturală și forțată

Figura 2. Exemple de convecție forțată și convecție naturală. Sursa: Cengel, Y. Termodinamica.

Convecția poate fi naturală sau forțată. În primul caz, fluidul se mișcă de la sine, ca la deschiderea ușii către cameră, în timp ce în al doilea este forțat de un ventilator sau o pompă, de exemplu.

Difuzie și advecție

De asemenea, pot exista două variante: difuzie și advecție. În difuzie, moleculele fluidului se mișcă mai mult sau mai puțin la întâmplare, iar transmiterea căldurii este lentă.

În schimb, advecția mișcă o cantitate bună de masă de fluid, care poate fi obținută prin forțarea convecției cu un ventilator, de exemplu. Dar avantajul advecției este că este mult mai rapid decât difuzia.

¿

Un model matematic simplu de transfer de căldură convectiv este legea răcirii lui Newton. Luați în considerare o suprafață fierbinte din zona A, înconjurată de aer mai rece, astfel încât diferența de temperatură este mică.

Să numim căldura transferată Q și ora t. Viteza la care se transferă căldura este dQ / dt sau derivată din funcția Q (t) în raport cu timpul.

Deoarece căldura este energie termică, unitățile sale din Sistemul Internațional sunt joule (J), prin urmare, rata de transfer vine în joule / secundă, care sunt wati sau wați (W).

Această rată este direct proporțională cu diferența de temperatură dintre obiectul cald și mediu, notată ca asT și, de asemenea, cu suprafața A a obiectului:

Constanta de proporționalitate se numește h, care este coeficientul de transfer de căldură prin convecție și este determinat experimental. Unitățile sale din Sistemul Internațional (SI) sunt W / m ² . K, dar este obișnuit să îl găsim în termeni de grade Celsius sau centigrad.

Este important de menționat că acest coeficient nu este o proprietate a fluidului, deoarece depinde de mai multe variabile, cum ar fi geometria suprafeței, viteza fluidului și alte caracteristici.

Combinând toate cele de mai sus, matematic legea lui Newton de răcire ia această formă:

Aplicarea legii de răcire a lui Newton

O persoană stă în mijlocul unei încăperi de 20 ° C, prin care bate o ușoară briză. Care este rata de căldură pe care persoana o transmite mediului prin convecție? Să presupunem că suprafața expusă este de 1,6 m ² și temperatura de suprafață a pielii este de 29 ° C.

Fapt : coeficientul de transfer de căldură prin convecție în acest caz este de 6 W / m ² . ° C

Soluţie

Persoana poate transmite căldură aerului din jurul lor, deoarece este în mișcare atunci când bate briza. Pentru a găsi rata de transfer dQ / dt, pur și simplu conectați valorile la ecuația lui Newton pentru răcire:

dQ / dt = 6 W / m ² . ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W

Exemple de convecție

Încălziți-vă mâinile peste un foc de tabără

Este obișnuit să vă încălziți mâinile, apropiindu-le de un foc de tabără sau de un toaster cald, deoarece aerul din jurul sursei de căldură la rândul său se încălzește și se extinde, crescând, deoarece este mai puțin dens. Pe măsură ce circulă, acest aer cald învelește și vă încălzește mâinile.

Figura 3. O modalitate de a vă încălzi mâinile este prin intermediul curentului de convecție creat în aer de foc. Sursa: Pxfuel.

Fluxul de aer pe coastă

Pe coastă, marea este mai rece decât pământul, astfel încât aerul de deasupra terenului se încălzește și se ridică, în timp ce aerul mai rece ajunge și se instalează în spațiul lăsat de acesta celălalt la ascensiune.

Aceasta se numește celulă de convecție și este motivul pentru care se simte mai răcoros când privești spre mare și briza îți lovește fața într-o zi caldă. Noaptea se întâmplă invers, briza răcoroasă vine din uscat.

Ciclul apei

Convecția naturală are loc în aerul coastelor oceanice, prin ciclul hidrologic, în care apa este încălzită și evaporată datorită radiațiilor solare. Vaporii de apă astfel formați se ridică, se răcește și se condensează în nori, masele acestora cresc și cresc prin convecție.

Prin creșterea dimensiunilor picăturilor de apă, vine un moment în care apa precipită sub formă de ploaie, solidă sau lichidă, în funcție de temperatură.

Fierbeți apa într-un recipient

Când apa este plasată în ceainic sau o cratiță, straturile cele mai apropiate de fund sunt încălzite mai întâi, deoarece flacara sau căldura din arzător este cea mai apropiată. Apoi apa se extinde și densitatea acesteia scade, de aceea crește și apa mai rece își ia locul în partea de jos a recipientului.

Figura 4. Încălzirea cu apă prin convecție. Sursa: wikimedia Commons. Utilizator: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

În acest fel, toate straturile circulă rapid și întregul corp de apă se încălzește. Acesta este un bun exemplu de advecție.

Generarea eoliană

Convecția în mase de aer, împreună cu mișcarea de rotație a pământului, produce vânturi, pe măsură ce aerul rece se mișcă și circulă sub aer cald, creând diverse curenți numiți curenți de convecție.

curenti oceanici

Apa se comportă într-un mod similar cu modul în care aerul face în atmosferă. Apele mai calde sunt aproape întotdeauna aproape de suprafață, în timp ce apele mai reci sunt mai adânci.

Efect dinamic

Apare în miezul topit din interiorul planetei, unde se combină cu mișcarea de rotație a Pământului, generând curenți electrici care dau naștere câmpului magnetic al Pământului.

Transmiterea energiei în interiorul stelelor

Stele ca Soarele sunt sfere imense de gaz. Convecția este un mecanism eficient de transport al energiei acolo, deoarece moleculele gazoase au suficientă libertate de a se deplasa între zonele din interiorul stelelor.

Aplicații de convecție

aer conditionat

Aparatul de aer condiționat este așezat lângă tavanul camerelor, astfel încât aerul răcit, care este mai dens, coboară și se răcește mai aproape de podea.

Schimbatoare de caldura

Este un dispozitiv care permite transmiterea căldurii de la un fluid la altul și este principiul funcționării aparatelor de aer condiționat și a mecanismelor de răcire ale motorului auto, de exemplu.

Izolatori termici din clădiri

Sunt realizate prin combinarea foilor de material izolant și adăugarea de bule de aer în interior.

turnuri de răcire

Numite și turnuri de răcire, ele servesc la aruncarea căldurii produse de centralele nucleare, rafinăriile de petrol și alte diverse instalații industriale în aer, în loc de sol sau de apă.

Referințe

1. Giambattista, A. 2010. Fizică. 2a. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conducție, convecție și radiații. Recuperat de la: eltamiz.com.
3. Natahenao. Aplicații de căldură. Recuperat de la: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fizică pentru știință și inginerie. Volumul 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Convectie. Recuperat de la: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Termica de convecție. Recuperat de la: fr.wikipedia.org.