Конвекция

Известно, что теплопроводность воды мала, и при нагрева­нии верхнего слоя воды нижний ее слой остается холодным. Однако воду в чайниках, кастрюлях, котлах довольно быстро доводят до кипения. Как же нагревается вода? Что такое конвекция и как она появляется.

Явление конвекции

Опыт с водой

Воздух еще хуже, чем вода, проводит тепло. Почему же зимой во всех частях комнаты устанавливается одинаковая температура?
Для того чтобы ответить на эти вопросы, проделаем следующий опыт. Расположим стеклянную трубку с водой над пламенем горелки так, как показано на рисунке.

В обоих концах трубки помещены одинаковые термометры. При нагревании показания одного термо­метра (на рисунке справа) остаются почти без изменений, а другого (на рисунке слева) — начнут быстро увеличиваться. Справа термометр пока­зывает низкую температуру, так как теплопроводность воды ничтожно мала. Термометр слева показывает большую температуру вследствие того, что вода при нагревании расширяется. Плотность воды при этом уменьшается, и поэтому под действием архимедовой силы более легкие нагретые слои воды поднимаются вверх.

Вода в чайнике быстро закипает по этой же причине. Нижние слои воды, нагреваясь, расширяются, становятся легче и поднимаются кверху, а на их место поступает холодная вода.

Почему батареи центрального отопления помещаются у пола, а форточки делаются в верхней части окна? Если бы было наоборот, мы бы быстро обнаружили, что комната не прогревается батареей и не проветривается при открытой форточке. При соприкосновении с горячей батареей воздух в нижних слоях комнаты начинает нагреваться.

Он расширяется, становится легче и под действием архимедовой силы поднимается вверх, к потолку. На его место приходят более тяжелые слои холодного воздуха. Нагреваясь, они также уходят к потолку. Возникает непрерывное течение воздуха: теплого — снизу вверх и холодного — сверху вниз. Открывая форточку, мы впускаем в комнату поток холодного воздуха. Он тяжелее комнатного и поэтому идет вниз, вытесняя теплый воздух. Теплый же воздух поднимается вверх и уходит в форточку.

Определение конвекции

В рассмотренных нами случаях мы наблюдаем вид тепло­передачи, который называется конвекцией (в переводе с лат. “перемешивание”).

Итак, в жидкостях и газах кроме теплопередача часто осуществляется конвекцией или механическим перемещением нагретых частей жидкости или газа.
Конвекция отсутствует в твердых телах и не имеет места в вакууме.

Почти всегда в жидкостях (или газах) при их соприкосновении с твердыми стенками, имеющими более высокую или более низкую температуру, возникают конвекционные течения. При этом нагревшаяся жидкость (или газ) поднимается вверх, а охладившаяся — опускается вниз.

Теплопередача с помощью конвекции

Теплопередачу с помощью конвекции легко можно наблюдать на следующем опыте. Стеклянную колбу с водой, на дне которой помещен кристаллик марганцовокислого калия, нагревают с помощью пламени спиртовки или свечи. При этом можно наблюдать, как нижние слои окрашенной воды поднимаются вверх, перенося с собой энергию. Более холодные верхние слои воды опускаются вниз и выталкивают нагретую окрашенную воду. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается. Именно поэтому жидкости и газы нагревают, как правило, снизу: чайник с водой ставят на плиту или на огонь, батареи центрального отопления помещают у пола. В очень узких слоях, например, в слое воздуха между двумя близко расположенными оконными стеклами, конвекционные течения слабы.

Познакомившись с явлением конвекции, можно легко объяснить, почему форточки делают в верхней части окна, а керосиновая лампа хорошо разгорается, если на нее надето высокое стекло; почему заводские трубы делают высокими.

Конвекционные течения в атмосфере

Конвекционные течения в атмосфере не только играют большую роль в теплопередаче, но и обусловливают ветры. Они вызывают постоянное перемешивание воздуха; благодаря этому воздух в разных местах поверхности Земли имеет практически один и тот же состав.

Конвекционные течения в атмосфере поддерживают процесс горения, обеспечивая приток кислорода к пламени и удаляя продукты сгорания. Простейший опыт, схематично имитирующий этот процесс изображен на рисунке.

Свободная и вынужденная конвекции

Рассмотренная нами конвекция является естественной, или свободной.

Широко используемая в быту и технике, естественная конвекция часто оказывается недостаточной. В таких случаях прибегают к вынужденной конвекции, когда для равномерного и быстрого прогре­вания жидкостей или газов их перемешивают насосом или мешалкой.

В условиях невесомости естественная конвекция невозможна. Поэтому в космических полетах без принудительной конвекции не будет охлаждаться корпус спутника или корабля, гореть свеча. Мы не сможем пользоваться спичками, газовыми горелками, так как продукты горения не удаляются от пламени и оно гаснет из- за недостатка кислорода.

Читайте еще статьи по физике:

• Сила трения в технике — как ее уменьшить с помощью подшипников
• Электризация тел
• Абсолютная влажность воздуха
• Как перевести с км/ч в м/с
• Почему глубокий рыхлый снег предохраняет озимые хлеба от вымерзания
• Первый закон Ньютона
• Перевод размерности скорости из км/ч в м/с и из м/с в км/ч
• Рассеяние солнечного света в облаках
• Развитие электродинамики и открытия физиков
• Резонанс — это что в физике