Konvektsioonivoolud ja kuidas need töötavad

Konvektsioonivoolud on voolav vedelik, mis liigub, kuna materjali sees on temperatuur või tihedus.

Kuna tahke aine osakesed on fikseeritud, näevad konvektsioonivoolud ainult gaase ja vedelikke. Temperatuuri erinevus viib energia liikumiseni suurema energiaga alalt madalama energiaga alale.

Konvektsioon on a soojusülekanne protsess. Kui voolud tekivad, liigub mateeria ühest kohast teise. Nii et see on ka massisiirdeprotsess.

Konvektsiooni, mis toimub looduslikult, nimetatakse loomulik konvektsioon või vaba konvektsioon. Kui vedeliku ringlus toimub ventilaatori või pumba abil, nimetatakse seda sunnitud konvektsioon. Konvektsioonivoolude poolt moodustatud lahtrit nimetatakse a-ks konvektsioonielement või Bénardi rakk.

Temperatuuri erinevus põhjustab osakeste liikumist, luues voolu. Gaasides ja plasmas põhjustab temperatuuri erinevus ka suurema ja madalama tihedusega piirkondi, kus aatomid ja molekulid liiguvad madala rõhuga piirkondade täitmiseks.

Lühidalt, kuumad vedelikud tõusevad, kui külmad vedelikud vajuvad. Kui puudub energiaallikas (nt päikesevalgus, kuumus), jätkuvad konvektsioonivoolud ainult ühtlase temperatuuri saavutamiseni.

Teadlased analüüsivad vedelikule mõjuvaid jõude, et kategoriseerida ja mõista konvektsiooni. Need jõud võivad hõlmata:

• Gravitatsioon
• Pind pinevus
• Kontsentratsiooni erinevused
• Elektromagnetilised väljad
• Vibratsioon
• Sidemete moodustumine molekulide vahel

Konvektsioonivoolusid saab modelleerida ja kirjeldada konvektsiooni-difusioon võrrandid, mis on skalaarsed transpordivõrrandid.

• Konvektsioonivoolusid saate jälgida vees keeb potis. Praeguse voolu jälgimiseks lisage lihtsalt mõni hernes või bitti paberit. Kuumuseallikas kausi põhjas soojendab vett, andes sellele rohkem energiat ja põhjustades molekulide kiirema liikumise. Temperatuuri muutus mõjutab ka vee tihedust. Kui vesi pinna poole tõuseb, on mõnel sellest piisavalt energiat, et aurudena väljuda. Aurustumine jahutab pinda piisavalt, et mõned molekulid vajuksid uuesti panni põhja poole.
• Konvektsioonivoolude lihtne näide on soe õhk, mis tõuseb maja lae või pööningu poole. Soe õhk on vähem tihe kui jahe õhk, nii et see tõuseb.
• Tuul on konvektsioonivoolu näide. Päikesevalgus või peegeldunud valgus kiirgab soojust, luues temperatuuri erinevuse, mis põhjustab õhu liikumist. Varjulised või niisked alad on jahedamad või suudavad soojust imada, lisades efekti. Konvektsioonivoolud on osa sellest, mis juhib Maa atmosfääri globaalset ringlust.
• Põlemine genereerib konvektsioonivoolusid. Erandiks on asjaolu, et põlemisel nulljõulisuses keskkonnas puudub ujuvus, nii et kuumad gaasid loomulikult ei tõuse, mis võimaldab värsket hapnikku leeki toita. Minimaalne konvektsioon null-g põhjustab paljude leekide enda põlemisproduktide lämmatamist.
• Atmosfääri ja ookeani ringlus on vastavalt õhu ja vee (hüdrosfääri) suuremahuline liikumine. Need kaks protsessi toimivad koos. Konvektsioonivoolud õhus ja meres viivad ilm.
• Maa vahevöö magma liigub konvektsioonivooludes. Kuum südamik kuumutab materjali selle kohal, põhjustades selle tõusu kooriku poole, kus see jahtub. Kuumus tuleneb kivimi tugevast survest koos loodusliku energia eraldumisega radioaktiivne lagunemine elementidest. Magma ei saa tõusta, nii et see liigub horisontaalselt ja vajub tagasi alla.
• Korstna efekt või korstna efekt kirjeldab konvektsioonivoolusid, mis liigutavad gaase läbi korstnate või lõõride. Õhu ujuvus hoones ja väljaspool on temperatuuri ja niiskuse erinevuste tõttu alati erinev. Ehitise või virna kõrguse suurendamine suurendab efekti suurust. See on põhimõte, millel jahutustornid põhinevad.
• Konvektsioonivoolud ilmnevad päikese käes. Päikese fotosfääris nähtud graanulid on konvektsioonirakkude tipud. Päikese ja teiste tähtede puhul on vedelik pigem plasma kui vedelik või gaas.