Қолыңызды қосылып тұрған электр шамына жақындатсаңыз немесе алақаныңызды ыстық пештің үстіне қойсаңыз, жылы ауа ағындарының қозғалысын сезінесіз. Дәл осындай әсерді қағаз парағы ашық жалынның үстінде тербелгенде де байқауға болады. Екі әсер де конвекция арқылы түсіндіріледі.
Бұл не?
Конвекция құбылысы суық заттың ыстық массалармен жанасқанда кеңеюіне негізделген. Мұндай жағдайларда қыздырылған зат өзінің тығыздығын жоғалтады және оны қоршаған суық кеңістікпен салыстырғанда жеңілірек болады. Ең дәлірек айтсақ, құбылыстың бұл сипаттамасы суды қыздырған кездегі жылу ағындарының қозғалысына сәйкес келеді.
Қызу әсерінен молекулалардың қарама-қарсы бағытта қозғалуы конвекцияның негізіне дәл келеді. Радиация мен жылу өткізгіштік ұқсас процестер, бірақ олар бірінші кезекте қатты денелердегі жылу энергиясын тасымалдауға қатысты.
Конвекцияның жарқын мысалдары - жылытуы бар бөлменің ортасында жылы ауаның қозғалысықұрылғылар, қыздырылған ағындар төбенің астына қозғалғанда, ал суық ауа еденнің ең бетіне түседі. Сондықтан, жылыту қосулы кезде, бөлменің үстіңгі жағындағы ауа астыңғымен салыстырғанда айтарлықтай жылы болады.
Архимед заңы және физикалық денелердің жылулық кеңеюі
Табиғи конвекцияның не екенін түсіну үшін Архимед заңының мысалында процесті және жылулық сәулелену әсерінен денелердің кеңею құбылысын қарастыру жеткілікті. Сонымен, заңға сәйкес, температураның жоғарылауы міндетті түрде сұйықтық көлемінің ұлғаюына әкеледі. Ыдыстарда төменнен қыздырылған сұйықтық жоғары көтеріледі, ал тығыздығы жоғары ылғалдылық сәйкесінше төменірек жылжиды. Жоғарыдан қыздырылған жағдайда тығыз сұйықтықтар өз орындарында қалады, бұл жағдайда құбылыс болмайды.
Ұғымның пайда болуы
«Конвекция» терминін алғаш рет 1834 жылы ағылшын ғалымы Уильям Проут ұсынған. Ол қыздырылған, қозғалатын сұйықтықтардағы жылулық массалардың қозғалысын сипаттау үшін пайдаланылды.
Конвекция құбылысының алғашқы теориялық зерттеулері 1916 жылы ғана басталды. Тәжірибе барысында төменнен қыздырылған сұйықтықтарда диффузиядан конвекцияға өту белгілі бір критикалық температура мәндеріне жеткенде болатыны анықталды. Кейінірек бұл мән «Roel нөмірі» ретінде анықталды. Оны зерттеген зерттеушінің атымен осылай аталды. Тәжірибелердің нәтижелері Архимед күштерінің әсерінен жылу ағындарының қозғалысын түсіндіруге мүмкіндік берді.
Конвекция түрлері
Біз сипаттайтын құбылыстың бірнеше түрі бар - табиғи және мәжбүрлі конвекция. Бөлменің ортасында ыстық және суық ауа ағындарының қозғалысының мысалы табиғи конвекция процесін сипаттаудың ең жақсы тәсілі болып табылады. Мәжбүрлеуге келетін болсақ, оны сұйықтықты қасықпен, сорғымен немесе араластырғышпен араластырғанда байқауға болады.
Қатты заттар қыздырылған кезде конвекция мүмкін емес. Бұл олардың қатты бөлшектерінің тербелісі кезінде өте күшті өзара тартылыспен байланысты. Қатты құрылымның денелерін қыздыру нәтижесінде конвекция және сәулелену болмайды. Жылу өткізгіштік мұндай денелердегі бұл құбылыстарды ауыстырады және жылу энергиясын тасымалдауға ықпал етеді.
Капиллярлық конвекция деп аталатын бөлек түрі. Процесс сұйықтықтың құбырлар арқылы қозғалысы кезінде температура өзгерген кезде пайда болады. Табиғи жағдайда мұндай конвекцияның табиғи және мәжбүрлі конвекциямен бірге маңызы өте аз. Дегенмен, ғарыштық технологияда капиллярлық конвекция, радиация және материалдардың жылу өткізгіштігі өте маңызды факторларға айналады. Салмақсыз жағдайдағы ең әлсіз конвективтік қозғалыстар да кейбір техникалық тапсырмаларды орындауды қиындатады.
Жер қыртысының қабаттарындағы конвекция
Конвекциялық процестер жер қыртысының қалыңдығындағы газ тәрізді заттардың табиғи түзілуімен тығыз байланысты. Глобусты бірнеше концентрлік қабаттардан тұратын сфера ретінде қарастыруға болады. Дәл ортасында темірі бар жоғары тығыздықты сұйық масса болып табылатын массивті ыстық өзек бар.никель, сондай-ақ басқа металдар.
Жер ядросын қоршаған қабаттар литосфера және жартылай сұйық мантия болып табылады. Жер шарының жоғарғы қабаты тікелей жер қыртысы. Литосфера сұйық мантияның беті бойымен қозғалатын еркін қозғалыстағы жеке тақталардан түзілген. Құрамы мен тығыздығы әр түрлі болып келетін мантияның және тау жыныстарының әртүрлі бөліктерінің біркелкі емес жылынуы кезінде конвективті ағындар пайда болады. Дәл осындай ағындардың әсерінен мұхит түбінің табиғи түрленуі және тірек материктердің қозғалысы жүреді.
Конвекция мен жылу өткізгіштік арасындағы айырмашылықтар
Жылу өткізгіштік деп физикалық денелердің атомдық және молекулалық қосылыстардың қозғалысы арқылы жылуды беру қабілетін түсіну керек. Металдар жылуды тамаша өткізеді, өйткені олардың молекулалары бір-бірімен тығыз байланыста болады. Керісінше, газ тәрізді және ұшқыш заттар жылуды нашар өткізеді.
Конвекция қалай жүреді? Процесс физикасы заттардың молекулаларының массасының еркін қозғалысы есебінен жылудың берілуіне негізделген. Өз кезегінде, жылу өткізгіштік физикалық дененің құрамдас бөлшектері арасындағы энергияны тасымалдаудан ғана тұрады. Дегенмен, екі процесс зат бөлшектерінсіз мүмкін емес.
Құбылыстың мысалдары
Конвекцияның ең қарапайым және түсінікті мысалы - кәдімгі тоңазытқыштың процесі. Айналымсалқындатылған фреон газы тоңазытқыш камерасының құбырлары арқылы ауаның жоғарғы қабаттарының температурасының төмендеуіне әкеледі. Сәйкесінше, жылы ағындар ауыстырылады, салқындары батып кетеді, осылайша өнімдер салқындатылады.
Тоңазытқыштың артқы панелінде орналасқан тор газды сығу кезінде қондырғының компрессорында пайда болған жылы ауаны шығаруды жеңілдететін элемент рөлін атқарады. Торды салқындату да конвективті механизмдерге негізделген. Осы себепті тоңазытқыштың артындағы кеңістікті толтыру ұсынылмайды. Өйткені, тек осы жағдайда ғана салқындату қиындықсыз жүзеге асады.
Конвекцияның басқа мысалдарын желдің қозғалысы сияқты табиғи құбылысты байқау арқылы көруге болады. Құрғақ континенттерде жылынған және қаттырақ жерлерде салқындаған ауа ағындары бір-бірін ығыстырып, олардың қозғалуына, сондай-ақ ылғал мен энергияның қозғалуына себепші болады.
Құстар мен планерлердің қалықтау мүмкіндігі конвекцияға байланысты. Тығыздығы аз және жылырақ ауа массалары, жер бетіне жақын жерде біркелкі емес жылыту, көтерілу процесіне ықпал ететін көтерілу ағындарының пайда болуына әкеледі. Күш пен энергияны жұмсамай, максималды қашықтықты еңсеру үшін құстарға мұндай ағындарды табу мүмкіндігі қажет.
Конвекцияның жақсы мысалдары - мұржалар мен жанартаулық кратерлерде түтіннің пайда болуы. Түтіннің жоғары қарай қозғалуы оның қоршаған ортамен салыстырғанда жоғары температурасы мен тығыздығына негізделген. Түтін салқындаған сайын атмосфераның төменгі қабаттарына біртіндеп қонады. Дәл осы себептізиянды заттар атмосфераға шығарылатын өнеркәсіптік құбырлар мүмкіндігінше жоғары деңгейде жасалған.
Табиғаттағы және технологиядағы конвекцияның ең көп тараған мысалдары
Табиғатта, күнделікті өмірде және технологияда байқауға болатын қарапайым, түсінуге оңай мысалдардың ішінде мынаны бөліп көрсету керек:
- тұрмыстық жылыту батареяларын пайдалану кезіндегі ауа ағыны;
- бұлттардың пайда болуы және қозғалысы;
- желдің, муссондардың және желдердің қозғалыс процесі;
- тектоникалық жер плиталарының жылжуы;
- еркін газ түзілуіне әкелетін процестер.
Пісіру
Қазіргі тұрмыстық техникада, атап айтқанда пештерде конвекция құбылысы барған сайын жүзеге асуда. Конвекциясы бар газ шкафы әртүрлі температурада бөлек деңгейде бір уақытта әртүрлі тағамдарды дайындауға мүмкіндік береді. Бұл дәм мен иістердің араласуын толығымен жояды.
Дәстүрлі пеш ауаны жылыту үшін бір оттыққа сүйенеді, нәтижесінде жылу біркелкі таралмайды. Мамандандырылған желдеткіштің көмегімен ыстық ауа ағындарының мақсатты қозғалысының арқасында конвекциялық пештегі ыдыс-аяқтар шырынды және жақсы пісірілген болып шығады. Мұндай құрылғылар тезірек қызады, бұл тағам дайындауға қажетті уақытты азайтады.
Әрине, пеште жылына бірнеше рет тамақ пісіретін үй шаруасындағы әйелдер үшін тұрмыстық техникаконвекция функциясын бірінші қажеттілік техникасы деп атауға болмайды. Дегенмен, аспаздық тәжірибелерсіз өмір сүре алмайтындар үшін мұндай құрылғы ас үйде таптырмас құрал болады.
Ұсынылған материал сізге пайдалы болды деп үміттенеміз. Сәттілік!
