Конвекция
1. Введение
Сегодняшнее занятие мы посвятим изучению следующего вида теплопередачи – конвекции. На прошлом занятии мы уже говорили о явлении теплопроводности, которое было связанно с тепловым движением частиц, в случае же конвекции речь будет идти не о движении отдельных частиц, а об их группах. Попробуем рассмотреть явление конвекции с позиции сравнения с явлением теплопроводности и выделения отличий между этими видами теплопередачи. Для этого проведем простой опыт.
2. Опыт с нагреванием льда в пробирке с водой
Опыт 1.С нагреванием льда в пробирке с водой. Наберем в пробирку воду, поместим на дно кусочек льда и начнем нагревать зажженной свечей у верхнего края, как это изображено на рисунке 1.
Рис. 1. Нагревание льда в пробирке с водой.
В ходе проведения опыта мы заметим, что верхняя часть пробирки очень нагреется и вода в этой части может даже закипеть, но лед при этом останется в своем кристаллическом состоянии и не растает. Почему? Это объясняется недостаточной теплопроводностью воды для передачи тепла в нижнюю часть пробирки.
Если же теперь провести аналогичный опыт, но только расположить пламя свечи у нижнего края пробирки, то мы увидим, как весь лед быстро растает и вся вода со временем равномерно прогреется и даже, возможно, закипит.
Проведенные опыты говорят о том, что в данном случае перенос энергии осуществляется не путем теплопроводности, а на основании некого другого явления, которое и имеет название конвекция.
В переводе с латинского слово «конвекция» означает перенесение, перенос. Продемонстрируем опыты конвекции в газах и жидкостях на двух опытах.
3. Опыт с демонстрацией явления конвекции в газе (в воздухе)
Опыт 2. Демонстрация явления конвекции в газе (в воздухе). Для наглядного наблюдения конвекции в воздухе возьмем светильник из 4 свечей и крылатки, которая может свободно вращаться, расположенной вверху (см. видео). Зажжем все свечи и сразу же получим возможность наблюдать вращение установленной на светильник крылатки. Почему так происходит?
Воздух нагревается пламенем каждой свечи и расширяется, вследствие этого уменьшается его плотность, и по закону Архимеда он начинает подниматься вверх и вращать вертушку. При этом, холодный воздух, расположенный вокруг, опускается, занимая место нагретого, нагревается сам и поднимается, образуя так называемые конвективные потоки. Таким образом, мы можем наблюдать явление конвекции в воздухе для исследуемого светильника.
Интересно то, что при тушении свечек по очереди, скорость вращения крылатки постепенно уменьшается, т. к. уменьшается объем циркулирующего воздуха, и мы можем наблюдать, что явление конвекции может быть различным по своей эффективности в зависимости от условий проведения опыта.
Аналогично более простой эксперимент можно провести и практически без дополнительного оборудования, имея только карандаш и вырезанные бумажные лопасти (см. Рис. 2).
Рис. 2. Вращение лопастей благодаря конвекции воздуха из-за тепла руки человека.
Если надеть лопасти на острие карандаша и взять его вертикально в руку, то можно будет наблюдать вращение лопастей из-за возникновения конвективных потоков воздуха благодаря теплу человеческой ладони.
4. Опыт с демонстрацией явления конвекции в жидкости (воде)
Опыт 3.Демонстрация явления конвекции в жидкости (воде). Опустим в правое и левое колено U-образной трубки с водой по ложке с марганцовкой, которая будет выступать в роли красителя для демонстрации конвективных потоков. Жидкость начинает понемногу окрашиваться, но это происходит благодаря явлению диффузии (т. е. из-за непрерывного хаотичного теплового движения частиц вещества), а конвективные потоки пока не будут наблюдаться. Затем располагаем зажженную свечу под одним из колен трубки, как это показано на рисунке 3.
Рис. 3.
Демонстрация конвекции в жидкости с помощью окрашивания конвективных потоков.Мы можем наблюдать явление, аналогичное предыдущему опыту: нагретая в пламени свечи вода расширяется, уменьшается ее плотность, и окрашенные марганцем потоки начнут подниматься вверх. Можно заметить, что со временем прогревания воды процесс конвекции протекает все интенсивнее, и конвективные потоки, доходя до верхней части трубки, начинают двигаться по горизонтальному участку трубки и опускаться в правом ее колене. Это происходит из-за того, что холодная вода в правом колене опускается вниз и движется по нижнему горизонтальному участку трубки, занимая место поднявшейся теплой воды. Таким образом, мы имеем возможность наблюдать циркуляцию конвективных потоков в жидкости.
На основании проведенных опытов сделаем вывод о том, что такое явление конвекции.
5. Определение понятия конвекция и ее типы
Определение: Конвекция – это явление переноса энергии струями, большими группами частиц жидкостей или газов.
Т. е. по сравнению с явлением теплопроводности, когда при прогревании жидкостей или газов процесс передачи энергии частиц через их движение не так эффективен, как передача энергии путем движения целых групп частиц, вступает в действие более интенсивное способ теплопередачи путем конвекции.
В результате рассмотренных свойств конвекции можно заметить, что она имеет место только в том случае, если речь идет о теплопередаче в веществе (а именно в жидкости или газе), если же вещества нет, то и не имеет смысла говорить о явлении конвекции.
Различают два типа конвекции.
|
|
|
|
Рис. 4. Свободная конвекция |
Рис. 5. Вынужденная конвекция |
