Конвекція — це явище перенесення тепла в рідинах, газах або сипких середовищах потоками самої речовини (неважливо, вимушено або мимоволі).
Рідини та гази зазвичай нагрівають знизу. Чайник з водою ставлять на вогонь, батареї опалення від яких нагрівається повітря в кімнаті розміщують під вікнами біля підлоги. Чи неспроста це?
Помістивши руку над гарячою плитою або над лампою, що горить, ми помітимо, що від плити чи лампи вгору піднімаються теплі струмені повітря. Тут ми спостерігаємо конвекцію.
При конвекції тепло переноситься самими струменями газу або рідини. Повітря, яке стикається з плитою або лампою, нагрівається від її поверхні та розширюється. Щільність повітря що розширилось менше, ніж щільність холодного, і тому шар теплого повітря спливає у холодному повітрі. Адже Архімедова сила, що діє на тепле повітря з боку холодного знизу вгору більше, ніж сила тяжіння, що діє на тепле повітря, спрямована вниз. Потім прогрівається і починає рухатися вгору наступний шар холодного повітря і т.д. Так само переноситься тепло і при нагріванні рідини. Щоб помітити, чи переміщатимуться шари рідини при нагріванні, ставлять на вогонь скляну колбу з водою і опускають на дно колби кристалик барвника, наприклад марганцево-кислого калію. Зауважують, що вода починає переміщатися по замкнутим лініям – циркулювати: нагріті нижні шари води виштовхуються холодною водою і піднімаються нагору.
Завдяки циркуляції вся вода рівномірно прогрівається. Тут, як і в газі, тепло переноситься з одного, місця на інше струменями речовини – води. Це конвекція, яка є природною, або вільною. Якщо ж нерівномірно нагріту рідину (або газ) перемішувати насосом або мішалкою, то станеться вимушена конвекці
Тепер можна відповісти на запитання, поставлене на початку: чому рідини та гази нагрівають, як правило, знизу?
Спробуємо прогріти воду, налиту в пробірку, так, як показано на малюнку.
Верхній шар води закипить, а нижні шари залишаться холодними. (Якщо на дно пробірки помістити шматочки льоду, вони навіть не розтануть.) Чому?
При такому способі нагрівання не може виходити конвекція, адже нагріті шари води не можуть опуститися нижче холодних, важчих шарів.
Можливо, вода прогріється добре завдяки теплопровідності?
Але, як видно з цього досвіду, теплопровідність води мала, і довелося б дуже довго чекати, поки вода прогріється. Так само можна пояснити, чому не прогрівається повітря у пробірці, якщо його нагрівати зверху. У твердих тілах, де свобода руху молекул обмежена, конвекція відбуватися не може. Кожна частка твердого тіла лише коливається близько однієї точки, утримувана сильним взаємним тяжінням з іншими частинками, Тому при нагріванні твердого тіла в ньому не можуть утворюватись потоки речовини. Щоденний досвід підтверджує це. У твердих тілах, теплота передається теплопровідністю.
Приклади застосування конвекції
- Вітер. Всі вітри в атмосфері являють собою конвекційні струмені величезного масштабу. Вітри бризи що виникають на березі моря, пояснюються конвекцією. У літні дні суша нагрівається сонцем швидше, ніж вода, тому повітря над сушею нагрівається більше, його щільність, а значить і тиск, буде менше тиску більш холодного повітря над морем. В результаті, як у сполучених судинах, холодне повітря по низу, з моря переміщається до берега – дме вітер. Це і є бриз. Вночі вода охолоджується повільніше, ніж суша, і над сушею повітря стає холоднішим, ніж над водою. Утворюється нічний бриз – рух холодного повітря від суші до моря.
- Тяга. Без надходження свіжого повітря горіння палива. неможливо. Якщо в топку паровоза, у піч, не надходитиме повітря, то горіння палива припиниться. Зазвичай використовують природний приплив повітря – тягу. Для створення тяги над топкою, наприклад у котельних установках фабрик, заводів, електростанцій, розміщують трубу. При горінні палива повітря у ній нагрівається від цього густина повітря зменшується. Отже, тиск повітря, що знаходиться в топці та трубі, стає менше тиску зовнішнього повітря. Внаслідок різниці тиску холодне повітря надходить у топку, а тепле піднімається вгору – утворюється тяга.
- Водяне опалення. Система опалення приміщень за допомогою закачаної в систему води, або антифриза на водяній основі. Водяне опалення функціонує на основі принципу конвекційної передачі тепла від рідкого теплоносія.