Конвекция в физике - объяснение с примерами

Конвекция:

Обратите внимание на место нагревательного элемента в электрочайнике. Он расположен внизу у дна. Тем не менее вода нагревается по всему объему. Как это происходит? Как нагревается воздух по всему объему комнаты, если отопительные батареи стоят внизу у пола? Это происходит за счет конвекции. Что же такое конвекция?

Обратимся к опыту. В трубку с холодной водой опустим несколько кристалликов марганцовки. Будем нагревать трубку снизу (рис. 24). Мы увидим, как нагретые нижние слои воды поднимаются вверх. Верхние слои, как более холодные, а значит, более плотные, опускаются вниз, нагреваются и устремляются вверх. Через некоторое время вода нагреется по всему объему трубки. Так идет перенос теплоты (энергии) в жидкостях.

Наблюдать перенос теплоты (энергии) в газах, например в воздухе, можно, проделав такой опыт. Зажжем свечу. Нагретый над пламенем свечи воздух перемещается вверх (рис. 25). Поставив на пути пластмассовую пластинку, можно изменить направление потока, что видно на экране.

Объем жидкостей и газов при нагревании увеличивается, а плотность уменьшается. Они становятся легче, поднимаются вверх, перенося с собой энергию, что приводит к выравниванию температуры по всему объему жидкости или газа.

• Заказать решение задач по физике

Перенос энергии в жидкостях и газах потоками вещества называется конвекцией.

А возможна ли конвекция в твердых телах?

Очевидно, нет, так как в твердом теле вещество нс может перемещаться по объему. Вспомните жесткую структуру алмаза (рис. 26).

Благодаря конвекции создается необходимая для полного сжигания топлива тяга. Она чрезвычайно важна для хорошей работы домашних печей и каминов. Для создания тяги даже небольшие котельные имеют трубы высотой в несколько десятков метров. Трубы одной из крупнейших в Европе Новолукомльской теплоэлектростанции имеют высоту 250 м каждая (рис. 27).

Примером использования конвекции является система водяного отопления (рис. 28). Нагретая (в котельных или теплоэлектроцентралях — ТЭЦ) вода по трубопроводам поступает в здание. По вертикальной трубе (стояку) горячая вода поднимается вверх, попадает в отопительные батареи (радиаторы). Батареи отдают энергию воздуху в помещении, вода в них остывает. Остывшая вода из батарей по второй трубе возвращается обратно. Отопительные батареи стоят внизу (под окнами) и путем конвекции нагревают воздух по всему объему помещения. Благодаря конвекции нагревается вода в кастрюле на электрической или газовой плите.

Для любознательных:

Конвекцией объясняются ночные и дневные бризы — ветры, возникающие на берегах морей и океанов. В солнечный летний день воздух над сушей, более теплый, чем над водой, устремляется вверх. Это вызывает понижение давления над сушей, куда с моря перемещается холодный воздух. Это — дневной бриз. Самостоятельно определите направление и причины ночного бриза.

Главные выводы:

1. Конвекция — способ передачи тепловой энергии потоками газа или жидкости.
2. При конвекции происходит перемещение вещества — жидкости или газа.
3. Конвекция невозможна в твердых телах.