Konveksjon - Convection

Denne figuren viser en beregning for termisk konveksjon i jordens mantel . Farger nærmere rødt er varme områder og farger nærmere blå er i varme og kalde områder. Et varmt, mindre tett nedre grenselag sender plumes av varmt materiale oppover, og på samme måte beveger kaldt materiale fra toppen seg nedover.

Konveksjon er enkel eller flerfaset væskestrøm som oppstår spontant på grunn av de kombinerte effektene av materialegenskaper heterogenitet og kroppskrefter på en væske , oftest tetthet og tyngdekraft (se oppdrift ). Når årsaken til konveksjonen er uspesifisert, kan det antas konveksjon på grunn av effektene av termisk ekspansjon og oppdrift. Konveksjon kan også finne sted i myke faste stoffer eller blandinger der partikler kan strømme.

Konvektive strømning kan være forbigående (for eksempel når en flerfaseblanding av olje og vann separerer) eller stabil tilstand (se konveksjon celle ). Konveksjonen kan skyldes gravitasjonsmessige , elektromagnetiske eller fiktive kroppskrefter. Varmeoverføring ved naturlig konveksjon spiller en rolle i strukturen i jordens atmosfære , hav og mantel . Diskrete konvektive celler i atmosfæren kan identifiseres av skyer , med sterkere konveksjon som resulterer i tordenvær . Naturlig konveksjon spiller også en rolle i stjernens fysikk . Konveksjon er ofte kategorisert eller beskrevet av hovedeffekten som forårsaker konvektiv strømning, f.eks. Termisk konveksjon.

Termisk bilde av en nylig opplyst Ghillie -vannkoker . Den varme luften som kommer fra konveksjonsstrømmen er synlig.

Konveksjon kan ikke finne sted i de fleste faste stoffer fordi verken bulkstrømmer eller betydelig diffusjon av materie kan finne sted.

Terminologi

Ordet konveksjon har forskjellige, men beslektede bruksområder i forskjellige vitenskapelige eller tekniske sammenhenger eller applikasjoner. Den bredere sansen er i væskemekanikk , der konveksjon refererer til bevegelsen av væske drevet av tetthet (eller annen eiendom) forskjell.

I termodynamikk refererer "konveksjon" ofte til varmeoverføring ved konveksjon , der prefiksvarianten Natural Convection brukes til å skille væskemekanikkbegrepet konveksjon (dekket i denne artikkelen) fra konvektiv varmeoverføring.

Noen fenomener som resulterer i en effekt som er overfladisk lik virkningen av en konvektiv celle, kan også (unøyaktig) omtales som en form for konveksjon, f.eks. Termokapillær konveksjon og granulær konveksjon .

Eksempler og applikasjoner

Konveksjon skjer i stor skala i atmosfærer , hav, planet kapper , og det gir mekanismen av varmeoverføring for en stor andel av de ytterste indre i vår sol og alle stjernene. Væskebevegelse under konveksjon kan være usynlig langsom, eller den kan være åpenbar og rask, som i en orkan . På astronomiske skalaer antas det å forekomme konveksjon av gass og støv på tilførselsskivene i sorte hull , i hastigheter som kan nærme seg lysets.

Demonstrasjonseksperimenter

Termisk konveksjon i væsker kan demonstreres ved å plassere en varmekilde (f.eks. En Bunsen -brenner ) på siden av en beholder med en væske. Tilsetning av et fargestoff til vannet (for eksempel matfarging) vil muliggjøre visualisering av strømmen.

Et annet vanlig eksperiment for å demonstrere termisk konveksjon i væsker innebærer å åpne åpne beholdere med varm og kald væske farget med fargestoff i en stor beholder med samme væske uten fargestoff ved en mellomtemperatur (f.eks. En krukke med varmt vann fra springen, rødt, en krukke med vann avkjølt i et kjøleskap farget blått, senket ned i en klar tank med vann ved romtemperatur).

En tredje tilnærming er å bruke to identiske krukker, en fylt med varmt vann farget i en farge og kaldt vann med en annen farge. En krukke blir deretter midlertidig forseglet (f.eks. Med et stykke kort), vendt om og plassert oppå den andre. Når kortet fjernes, vil glasset som inneholder den varmere væsken plasseres på toppen, uten at det oppstår konveksjon. Hvis glasset som inneholder kaldere væske plasseres på toppen, dannes en konveksjonsstrøm spontant.

Konveksjon i gasser kan demonstreres ved hjelp av et stearinlys i et forseglet rom med en innløps- og eksosport. Varmen fra stearinlyset vil forårsake en sterk konveksjonsstrøm som kan demonstreres med en strømningsindikator, for eksempel røyk fra et annet lys, som frigjøres nær henholdsvis innløps- og eksosområdet.

Dobbel diffusiv konveksjon

Konveksjonsceller

Konveksjonsceller i et tyngdekraftsfelt

En konveksjonscelle , også kjent som en Bénard -celle , er et karakteristisk væskestrømningsmønster i mange konveksjonssystemer. En stigende mengde væske mister vanligvis varme fordi den møter en kaldere overflate. I væske skjer dette fordi det utveksler varme med kaldere væske gjennom direkte utveksling. I eksempelet på jordens atmosfære skjer dette fordi det utstråler varme. På grunn av dette varmetapet blir væsken tettere enn væsken under den, som fortsatt stiger. Siden den ikke kan senke seg gjennom den stigende væsken, beveger den seg til den ene siden. På en viss avstand overvinner dens nedadgående kraft den stigende kraften under den, og væsken begynner å synke. Når den synker, blir den varm igjen og syklusen gjentar seg.

Atmosfærisk konveksjon

Atmosfærisk sirkulasjon

Idealisert fremstilling av den globale sirkulasjonen på jorden

Atmosfærisk sirkulasjon er den store bevegelse av luft, og er en anordning ved hvilken termisk energi blir fordelt på overflaten av jorden , sammen med den meget langsommere (forsinket) hav sirkulasjonssystem. Den store strukturen i den atmosfæriske sirkulasjonen varierer fra år til år, men den grunnleggende klimatologiske strukturen forblir ganske konstant.

Bredde sirkulasjon oppstår fordi innfallende solarstråling per arealenhet er størst ved den varme ekvator , og avtar etter hvert som den breddegrad øker, og nådde minima ved polene. Den består av to primære konveksjonsceller, Hadley -cellen og polarvirvelen , med Hadley -cellen som opplever sterkere konveksjon på grunn av frigjøring av latent varmeenergi ved kondensering av vanndamp i større høyder under skydannelse.

Langsirkulasjon, derimot, oppstår fordi havet har en høyere spesifikk varmekapasitet enn land (og også varmeledningsevne , slik at varmen kan trenge videre under overflaten) og derved absorberer og frigjør mer varme , men temperaturen endres mindre enn land. Dette bringer havbrisen, luften avkjølt av vannet, på land om dagen, og bærer landbrisen, luftkjølt ved kontakt med bakken, ut på havet i løpet av natten. Langsirkulasjon består av to celler, Walker -sirkulasjonen og El Niño / Southern Oscillation .

Vær

Hvordan Foehn produseres

Noen mer lokaliserte fenomen enn global atmosfærisk bevegelse skyldes også konveksjon, inkludert vind og noe av den hydrologiske syklusen . For eksempel er en fødenvind en nedoverbakkevind som oppstår på siden av en fjellkjede. Det skyldes den adiabatiske oppvarmingen av luft som har mistet mesteparten av fuktigheten på skråninger i vind. På grunn av de forskjellige adiabatiske forløpshastighetene for fuktig og tørr luft, blir luften på bakkeskråningene varmere enn i samme høyde på vindene bakover.

En termisk kolonne (eller termisk) er en vertikal seksjon av stigende luft i de lavere høyder av jordens atmosfære. Termisk blir til ved ujevn oppvarming av jordoverflaten fra solstråling. Solen varmer bakken, som igjen varmer luften rett over den. Den varmere luften ekspanderer, blir mindre tett enn luftmassen rundt, og skaper en termisk lav . Massen av lettere luft stiger, og som den gjør, avkjøles den ved ekspansjon ved lavere lufttrykk. Den slutter å stige når den har avkjølt til samme temperatur som luften rundt. Assosiert med en termisk er en nedadgående strømning rundt den termiske kolonnen. Det nedadgående bevegelige eksteriøret er forårsaket av at kaldere luft forskyves på toppen av termoen. En annen konveksjonsdrevet væreffekt er havbrisen .

Stadier av et tordenværs liv.

Varm luft har en lavere tetthet enn kald luft, så varm luft stiger i kjøligere luft, på samme måte som varmluftsballonger . Skyer dannes som relativt varmere luft som bærer fuktighet stiger i kjøligere luft. Når den fuktige luften stiger, avkjøles den og får noe av vanndampen i den stigende luftpakken til å kondensere . Når fuktigheten kondenserer, frigjør den energi kjent som latent kondensvarme som gjør at den stigende luftpakken kan avkjøles mindre enn luften rundt, og fortsetter skyens oppstigning. Hvis nok ustabilitet er tilstede i atmosfæren, vil denne prosessen fortsette lenge nok til at cumulonimbus -skyer dannes, som støtter lyn og torden. Generelt krever tordenvær tre forhold for å danne seg: fuktighet, en ustabil luftmasse og en løftekraft (varme).

Alle tordenvær , uavhengig av type, går gjennom tre stadier: utviklingsstadiet , det modne stadiet og spredningstrinnet . Gjennomsnittlig tordenvær har en diameter på 24 km. Avhengig av forholdene i atmosfæren, tar disse tre stadiene i gjennomsnitt 30 minutter å gå gjennom.

Oseanisk sirkulasjon

havstrømmer

Solstråling påvirker havene: varmt vann fra ekvator har en tendens til å sirkulere mot polene , mens kaldt polarvann leder mot ekvator. Overflatestrømmene er i utgangspunktet diktert av overflatevindforhold. De passatvindene blåser vestover i tropene, og vestavinds blåse østover på midlere breddegrader. Dette vindmønsteret påfører den subtropiske havoverflaten et stress med negativ krøll over den nordlige halvkule , og motsatt over den sørlige halvkule . Den resulterende Sverdrup -transporten er ekvator. På grunn av bevaring av potensiell virvelvirkning forårsaket av vindene i bevegelse mot den subtropiske ås vestlige periferi og den økte relative vortisiteten til vann som beveger seg mot vann, er transport balansert av en smal, akselererende polstrøm, som strømmer langs den vestlige grensen til havbasseng, som oppveier effekten av friksjon med den kalde vestlige grensestrømmen som stammer fra høye breddegrader. Den generelle prosessen, kjent som vestlig intensivering, forårsaker at strømmer på den vestlige grensen til et havbasseng er sterkere enn de på den østlige grensen.

Når det beveger seg poleward, gjennomgår varmt vann som transporteres av sterk varmtvannsstrøm fordampningskjøling. Avkjølingen er vinddrevet: vind som beveger seg over vann avkjøler vannet og forårsaker også fordampning og etterlater en saltere saltlake. I denne prosessen blir vannet saltere og tettere. og synker i temperatur. Når havis er dannet, blir salter utelatt av isen, en prosess som kalles saltlakeutelukkelse. Disse to prosessene produserer vann som er tettere og kaldere. Vannet over det nordlige Atlanterhavet blir så tett at det begynner å synke ned gjennom mindre salt og mindre tett vann. (Denne åpne havkonveksjonen er ikke ulik den for en lavalampe .) Denne nedtrekningen av tungt, kaldt og tett vann blir en del av det nordatlantiske dype vannet , en sørgående bekk.

Mantelkonveksjon

En oseanisk plate blir lagt til ved oppvelling (venstre) og konsumert ved en subduksjonssone (høyre).

Mantelkonveksjon er den langsomme krypende bevegelsen til jordens steinete mantel forårsaket av konveksjonsstrømmer som bærer varme fra jordens indre til overflaten. Det er en av tre drivkrefter som får tektoniske plater til å bevege seg rundt jordens overflate.

Jordens overflate er delt inn i en rekke tektoniske plater som kontinuerlig blir opprettet og konsumert ved deres motsatte plategrenser. Skapelse ( tilvekst ) skjer når mantel legges til de voksende kantene på en tallerken. Dette varme tilførte materialet avkjøles ved ledning og konveksjon av varme. Ved forbrukskantene på platen har materialet termisk kontrakt for å bli tett, og det synker under sin egen vekt i prosessen med subduksjon ved en havgrav. Dette subdugerte materialet synker til en viss dybde i jordens indre, der det er forbudt å synke ytterligere. Den subduerte havskorpen utløser vulkanisme.

Stabeleffekt

Den Stack effekt eller skorsteinseffekten er bevegelse av luft inn i og ut av bygninger, skorsteiner, røykgass stabler eller andre beholdere på grunn av oppdrift. Oppdrift oppstår på grunn av en forskjell i lufttetthet innendørs til utendørs som følge av temperatur- og fuktighetsforskjeller. Jo større termisk forskjell og konstruksjonshøyde, desto større oppdriftskraft, og dermed stabeleffekten. Stabeleffekten bidrar til å drive naturlig ventilasjon og infiltrasjon. Noen kjøletårn opererer etter dette prinsippet; På samme måte er soloppgangstårnet en foreslått enhet for å generere elektrisitet basert på stabeleffekten.

Fantastisk fysikk

En illustrasjon av solens struktur og en rød kjempestjerne som viser konvektive soner. Dette er de granulære sonene i de ytre lagene til disse stjernene.

Konveksjonssonen til en stjerne er radiusområdet der energi transporteres hovedsakelig ved konveksjon.

Granulat på solens fotosfære er de synlige toppen av konveksjonsceller i fotosfæren, forårsaket av konveksjon av plasma i fotosfæren. Den stigende delen av granulatet er plassert i midten der plasmaet er varmere. Den ytre kanten av granulatet er mørkere på grunn av det kjøligere synkende plasmaet. En typisk granulat har en diameter i størrelsesorden 1000 kilometer og hver varer 8 til 20 minutter før den forsvinner. Under fotosfæren er et lag med mye større "supergranuler" opp til 30 000 kilometer i diameter, med levetid på opptil 24 timer.

Mekanismer

Konveksjon kan skje i væsker i alle skalaer større enn noen få atomer. Det er en rekke omstendigheter der kreftene som kreves for konveksjon oppstår, som fører til forskjellige typer konveksjon, beskrevet nedenfor. Generelt oppstår konveksjon på grunn av kroppskrefter som virker i væsken, for eksempel tyngdekraften.

Naturlig konveksjon

Dette farge schlieren -bildet avslører termisk konveksjon som stammer fra varmeledning fra en menneskelig hånd (i silhuett) til den omgivende stille atmosfæren.

Naturlig konveksjon , eller fri konveksjon , oppstår på grunn av temperaturforskjeller som påvirker tettheten, og dermed den relative oppdriften, til væsken. Tyngre (tettere) komponenter vil falle, mens lettere (mindre tette) komponenter stiger, noe som fører til bulkvæskebevegelse. Naturlig konveksjon kan derfor bare forekomme i et gravitasjonsfelt. Et vanlig eksempel på naturlig konveksjon er røykveksten fra en brann. Det kan sees i en gryte med kokende vann der det varme og mindre tette vannet på bunnlaget beveger seg oppover i fjær, og det kjølige og tettere vannet nær toppen av potten synker på samme måte.

Naturlig konveksjon vil være mer sannsynlig og raskere med en større variasjon i tetthet mellom de to væskene, en større akselerasjon på grunn av tyngdekraften som driver konveksjonen eller en større avstand gjennom konveksjonsmediet. Naturlig konveksjon vil være mindre sannsynlig og mindre rask med raskere diffusjon (derved diffundere bort den termiske gradienten som forårsaker konveksjonen) eller en mer viskøs (klissete) væske.

Utbruddet av naturlig konveksjon kan bestemmes av Rayleigh -tallet ( Ra ).

Vær oppmerksom på at forskjeller i oppdrift i en væske kan oppstå av andre årsaker enn temperaturvariasjoner, i så fall kalles væskebevegelsen gravitasjonskonveksjon (se nedenfor). Alle typer flytende konveksjon, inkludert naturlig konveksjon, forekommer imidlertid ikke i mikrogravitasjonsmiljøer . Alle krever tilstedeværelse av et miljø som opplever g-kraft ( riktig akselerasjon ).

Gravitasjonskraft eller flytende konveksjon

Gravitasjonskonveksjon er en type naturlig konveksjon forårsaket av oppdriftsvariasjoner som følge av andre materialegenskaper enn temperatur. Dette skyldes vanligvis en variabel sammensetning av væsken. Hvis den varierende egenskapen er en konsentrasjonsgradient, kalles den solutal konveksjon . For eksempel kan gravitasjonskonveksjon sees ved diffusjon av en kilde til tørt salt nedover i våt jord på grunn av oppdriften av ferskvann i saltvann.

Variabel saltholdighet i vann og variabelt vanninnhold i luftmasser er hyppige årsaker til konveksjon i havene og atmosfæren som ikke involverer varme, eller som involverer andre sammensetningstetthetsfaktorer enn tetthetsendringene fra termisk ekspansjon (se termohalin sirkulasjon ). På samme måte fortsetter variabel sammensetning i jordens indre som ennå ikke har oppnådd maksimal stabilitet og minimal energi (med andre ord, med tetteste deler dypest) å forårsake en brøkdel av konveksjonen av flytende stein og smeltet metall i jordens indre (se nedenfor) .

Gravitasjonskonveksjon, som naturlig termisk konveksjon, krever også et g-kraftmiljø for å oppstå.

Konveksjon i fast tilstand i is

Iskonveksjon på Pluto antas å forekomme i en myk blanding av nitrogenis og karbonmonoksidis . Det har også blitt foreslått for Europa og andre organer i det ytre solsystemet.

Termomagnetisk konveksjon

Termomagnetisk konveksjon kan oppstå når et ytre magnetfelt pålegges en ferrofluid med varierende magnetisk følsomhet . I nærvær av en temperaturgradient resulterer dette i en ujevn magnetisk kroppskraft, som fører til væskebevegelse. En ferrofluid er en væske som blir sterkt magnetisert i nærvær av et magnetfelt .

Forbrenning

I et miljø med null tyngdekraft kan det ikke være oppdriftskrefter, og dermed ingen konveksjon, så flammer under mange omstendigheter uten at tyngdekraften kveler i sine egne avgasser. Termisk ekspansjon og kjemiske reaksjoner som resulterer i ekspansjons- og sammentrekningsgasser tillater ventilasjon av flammen, ettersom avgasser fortrenges av kjølig, frisk, oksygenrik gass. beveger seg inn for å ta opp lavtrykkssonene som oppstår når flamme-eksosvann kondenserer.

Matematiske modeller for konveksjon

En rekke dimensjonsløse termer er blitt avledet for å beskrive og forutsi konveksjon, inkludert Archimedes -nummeret , Grashof -nummeret , Richardson -nummeret og Rayleigh -nummeret .

I tilfeller av blandet konveksjon (naturlig og tvunget som forekommer sammen) vil man gjerne vite hvor mye av konveksjonen som skyldes ytre begrensninger, for eksempel væskehastigheten i pumpen, og hvor mye som skyldes at naturlig konveksjon oppstår i systemet .

De relative størrelsene til Grashof -tallet og kvadratet til Reynolds -tallet bestemmer hvilken form for konveksjon som dominerer. Hvis tvungen konveksjon kan bli neglisjert, mens naturlig konveksjon kan bli neglisjert. Hvis forholdet, kjent som Richardson -tallet , er omtrent ett, må både tvungen og naturlig konveksjon tas i betraktning.

Se også

Referanser

Eksterne linker