Конвекция
Введение
Когда вы ставите кастрюлю с водой на плиту, можно заметить, как постепенно нагревается весь объём воды. Хотя нагревается только дно, тепло распространяется вверх. Или, когда работает батарея отопления, воздух в комнате становится тёплым сверху вниз.
Эти явления объясняются конвекцией — процессом переноса тепла потоками жидкости или газа.
Определение и типы конвекции
Конвекция — это передача тепла потоками жидкости или газа, при которой вещество само перемещается.
Различают два типа конвекции:
-
Естественная (свободная) — возникает самопроизвольно из-за разности температур и плотности вещества.
Примеры: нагрев воздуха у батареи, образование ветров, подъем горячего воздуха от костра. -
Вынужденная — вызывается внешними силами, например, вентилятором или насосом.
Примеры: циркуляция воды в системах отопления, движение воздуха в кондиционере.
Механизм конвекции
При нагревании частицы жидкости или газа начинают двигаться быстрее, вещество расширяется, его плотность уменьшается.
Тёплые, менее плотные слои поднимаются вверх, а холодные, более плотные опускаются вниз.
Так возникают конвекционные потоки, которые обеспечивают равномерное распределение температуры.
Опыт с демонстрацией явления конвекции в жидкости (воде)
Оборудование: стеклянная банка, вода, немного чернил или марганцовки, источник тепла.
Ход опыта:
Воду подкрашивают и осторожно нагревают снизу. Уже через несколько секунд можно увидеть движение окрашенных потоков вверх — это тёплая вода, а сверху вниз опускается холодная.
Так наглядно демонстрируется процесс естественной конвекции в жидкости.
Опыт с демонстрацией явления конвекции в газе (в воздухе)
Оборудование: стеклянный колпак, свеча, бумажная спираль или дым.
Ход опыта:
Под стеклянный колпак помещают горящую свечу. Над пламенем спираль начинает вращаться. Это происходит потому, что тёплый воздух поднимается вверх, увлекая за собой лёгкие частицы.
Опыт показывает, как происходит конвекция в газах — например, так образуются ветры и облака.
Опыт с нагреванием льда в пробирке с водой
Оборудование: пробирка, лёд, вода, спиртовка.
Ход опыта:
В пробирку кладут кусочек льда и заливают водой. Затем осторожно нагревают верхнюю часть пробирки.
Через некоторое время вода сверху закипает, а лёд внизу ещё не растаял.
Это доказывает, что в воде тепло распространяется не сразу по всему объёму, а движется потоками — конвекцией, и нижние слои остаются холодными, пока не начнётся циркуляция.
Конвекция в природе
Конвекционные потоки существуют в атмосфере, океанах и даже внутри Земли:
-
В атмосфере тёплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается — образуются ветры.
-
В океанах тёплые течения (например, Гольфстрим) переносят тепло от экватора к полюсам.
-
В недрах Земли движение горячей магмы вызывает вулканическую активность.
Конвекция в быту и технике
-
В отопительных системах конвекция обеспечивает равномерное прогревание помещения.
-
В электронике и двигателях она используется для охлаждения.
-
В печах и духовках с конвекцией тепло распределяется равномерно, и пища пропекается со всех сторон.
Почему конвекция невозможна в твёрдых телах
В твёрдых телах частицы находятся в фиксированных положениях и не могут перемещаться.
Поэтому в них тепло передаётся только за счёт теплопроводности, а не движением вещества.
Выводы
-
Конвекция — это перенос тепла потоками жидкостей или газов.
-
Она бывает естественной и вынужденной.
-
Конвекция возникает из-за изменения плотности вещества при нагревании.
-
Благодаря конвекции тепло равномерно распределяется в воде, воздухе и природе.
-
В твёрдых телах конвекция невозможна.
Вопросы для самопроверки
-
Дайте определение конвекции.
-
Чем естественная конвекция отличается от вынужденной?
-
Почему при нагревании вода поднимается вверх?
-
Почему конвекция не происходит в твёрдых телах?
-
Опишите опыт с нагреванием льда в пробирке. Что он показывает?
-
Как доказать наличие конвекции в воздухе?
-
Какие природные явления объясняются конвекцией?
-
Где в технике применяется конвекция?
-
Почему при кипячении вода бурлит?
-
Как связаны конвекционные потоки и изменение плотности вещества?