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.

На­гре­ва­ние льда в про­бир­ке с водой.

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).

Де­мон­стра­ция яв­ле­ния кон­век­ции в газе (в воз­ду­хе)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.

Де­мон­стра­ция яв­ле­ния кон­век­ции в жид­ко­сти (воде)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.

конвекция и ее типы

 

Свободная конвекция

Вынужденная конвекция

Рис. 4. Сво­бод­ная кон­век­ция

Рис. 5. Вы­нуж­ден­ная кон­век­ция

Последнее изменение: Вторник, 22 Май 2018, 16:02