Convecție

Exemplu de mișcare convectivă într-un mediu care conține un fluid în contact cu două suprafețe cu temperaturi diferite.

În convecție naturală este un tip de transport (de materie și energie ), absent în solide și neglijabil pentru fluidele foarte vâscoase , cauzat de un gradient de presiune și forța de greutate și caracterizat prin mișcări ale circulației interne către fluid. Mișcarea convectivă rezultată este o stare de mișcare caracterizată printr-un grad ridicat de amestecare , care depinde de regimul hidrodinamic: în special, în regimul laminar gradul de amestecare este mai mic, în timp ce în regimul turbulent gradul de amestecare este mai mare, și în consecință coeficienții de schimb sunt mai mari.

Descriere

Convecție termică

Mișcare convectivă a aerului în timpul unui proces de ardere . Săgețile indică mișcarea convectivă a aerului.

În cazul în care mișcarea convectivă este asociată cu un schimb de căldură , vorbim de convecție termică . Convecția termică este una dintre cele trei căi de transmitere a căldurii (convecție, conducere și radiații ).

Din legea conservării energiei rezultă că căldura pe care o renunță un sistem (la alte sisteme, în interiorul acestuia sau la mediul înconjurător ) este egală cu cea pe care o primește celălalt și, conform celei de- a doua legi a termodinamicii , căldura este transferate spontan de la sistemul de temperatură mai mare la cel de temperatură mai scăzută.

Fenomenul de convecție termică se obține atunci când un fluid (cum ar fi apa sau aerul ) intră în contact cu un corp a cărui temperatură este mai mare decât cea a fluidului în sine. Prin creșterea temperaturii prin conducție, fluidul în contact cu obiectul se extinde și scade în densitate , iar datorită forței lui Arhimede crește, fiind mai puțin dens decât fluidul care îl înconjoară care este mai rece, generând astfel mișcări convective, în care fluidul fierbinte crește și frigul coboară ( convecție naturală ).

Tratamentul fenomenului fizic

Să considerăm un sistem A în echilibru termodinamic cel puțin local. În A, atunci se va defini distribuția temperaturii T (x, y, z, t), ceea ce vom presupune a fi diferențiat. În jurul fiecărui punct al lui A se definesc T și $\nabla T$ ${\ displaystyle \ nabla T}$ $\ nabla T$ . Fie S o suprafață generică situată în sistemul nostru A. Dacă temperatura din A nu este uniformă, suprafața S va fi traversată de o putere termică datorită gradientului de temperatură. Fenomenul se numește transmisie de căldură . Împărțim sistemul A în subsisteme infinitezimale. Dacă aceste subsisteme sunt în mișcare relativă, transmisia căldurii se numește convecție.

Puterea termică schimbată între un perete solid de graniță și fluid

Puterea termică schimbată între un perete solid de graniță și fluid poate fi calculată prin legea lui Fourier aplicată peretelui:

Q=-\lambda \cdot \iint _{S}\nabla T\cdot {\hat {n}}ds

{\ displaystyle Q = - \ lambda \ cdot \ iint _ {S} \ nabla T \ cdot {\ hat {n}} ds}

{\ displaystyle Q = - \ lambda \ cdot \ iint _ {S} \ nabla T \ cdot {\ hat {n}} ds}

unde este ${\hat {n}}$ ${\ displaystyle {\ hat {n}}}$ ${\ hat {n}}$ este vectorul normal la areola infinitesimală ds e $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ este coeficientul de conducere al peretelui (omogen, sau ar fi un tensor).

Pentru a calcula puterea termică schimbată Q, este necesar să se cunoască distribuția temperaturii în fluid și pentru a determina aceasta din urmă este necesar să se rezolve următorul sistem de ecuații diferențiale:

{\frac {\partial \rho }{\partial t}}+\nabla (\rho {\vec {u}})=0

{\ displaystyle {\ frac {\ partial \ rho} {\ partial t}} + \ nabla (\ rho {\ vec {u}}) = 0}

{\ frac {\ partial \ rho} {\ partial t}} + \ nabla (\ rho {\ vec {u}}) = 0

\rho {\frac {D{\vec {u}}}{Dt}}=-\rho {\vec {\nabla }}(gz)-{\vec {\nabla }}p+\mu [\nabla ^{2}{\vec {u}}+{\frac {1}{3}}{\vec {\nabla }}({\vec {\nabla }}\cdot {\vec {u}})]

{\ displaystyle \ rho {\ frac {D {\ vec {u}}} {Dt}} = - \ rho {\ vec {\ nabla}} (gz) - {\ vec {\ nabla}} p + \ mu [\ nabla ^ {2} {\ vec {u}} + {\ frac {1} {3}} {\ vec {\ nabla}} ({\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {u} })]}

\ rho {\ frac {D {\ vec {u}}} {Dt}} = - \ rho {\ vec {\ nabla}} (gz) - {\ vec {\ nabla}} p + \ mu [\ nabla ^ {2} {\ vec {u}} + {\ frac {1} {3}} {\ vec {\ nabla}} ({\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {u}})]

{\frac {DT}{Dt}}={\mathcal {D}}_{Q}\nabla ^{2}T

{\ displaystyle {\ frac {DT} {Dt}} = {\ mathcal {D}} _ {Q} \ nabla ^ {2} T}

{\ frac {DT} {Dt}} = {\ mathcal D} _ {Q} \ nabla ^ {2} T

unde este $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ este densitatea fluidului, ${\vec {u}}$ ${\ displaystyle {\ vec {u}}}$ ${\ vec {u}}$ este vectorul vitezei fluidului, g este accelerația gravitației și ${\mathcal {D}}_{Q}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {D}} _ {Q}}$ ${\ mathcal D} _ {Q}$ este difuzivitatea termică a fluidului în cauză.

Convecția unui fluid în interiorul unui recipient încălzit de jos.

Prima este ecuația continuității și constituie un echilibru local de masă, al doilea este ecuația Navier-Stokes și constituie un echilibru local de impuls (rețineți că odată cu scrierea ${\frac {D{\vec {u}}}{Dt}}$ ${\ displaystyle {\ frac {D {\ vec {u}}} {Dt}}}$ ${\ frac {D {\ vec {u}}} {Dt}}$ indicăm de obicei derivata materială a vectorului u), a treia este ecuația Fourier extinsă la convecție.

Dacă diferențele de densitate datorate diferențelor de temperatură din fluid au un efect neglijabil asupra mișcării, vorbim de convecție forțată . În acest caz, mișcarea se datorează cauzelor externe, cum ar fi ventilatoarele, pompele sau, în general, diferențele de presiune generate în afara domeniului de studiu. ^[1] În acest caz, este posibil să se stabilească densitatea constantei fluidului și astfel să se rezolve primele două ecuații ale sistemului menționat anterior și apoi a treia.

Dacă, pe de altă parte, mișcarea este cauzată doar de diferențele de densitate datorate diferențelor de temperatură, se numește convecție naturală .

Un al treilea caz este cel al convecției mixte care, după cum sugerează și numele, mișcarea se datorează atât diferențelor de densitate datorate diferențelor de temperatură, cât și cauzelor externe.

În cazurile de convecție naturală sau mixtă, nu este posibilă stabilirea densității $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ de fluid constant și este necesar să se rezolve simultan cele trei ecuații diferențiale scrise.

Exemple

Simulare computerizată a mișcărilor convective care apar în interiorul mantei pământului

De exemplu, ne putem imagina un sistem izolat din exterior, cu două corpuri la temperaturi diferite, cel mai rece în partea de sus și cel mai cald în partea de jos, separate de apă : deoarece apa fierbinte tinde să crească și apa rece să coboare (pentru densitatea diferită), va exista o mișcare convectivă prin care în zona centrală apa, încălzită în contact cu corpul fierbinte, se ridică spre corpul rece; pe de altă parte, în zonele externe există o mișcare descendentă, deoarece apa de răcire în contact cu corpul rece se deplasează în jos. Dacă corpurile ar fi inversate, cea fierbinte în partea de sus și cea rece în partea de jos, nu ar exista mișcare convectivă, apa ar rămâne nemișcată și corpul fierbinte ar transfera căldura la cel mai rece doar prin conducție .

În general, convecția este orice flux care:

colectează căldura pe o parte;
îl depune în altul;
este menținut în mișcare prin transportul căldurii.

Sol a Pământului este încălzită de razele soarelui prin radiații , căldura face ca aerul să se extindă , care devine mai puțin dens și plutește ca un balon în sus, care sosesc în straturile superioare ale atmosferei îl transferă căldura către alte mase de „Aerul sau spațiul exterior se răcește și alte bule care vin de jos îl împing în lateral și începe să coboare, această mișcare este un alt exemplu de mișcare convectivă.

Soare

Secțiunea Soarelui cu diferitele zone de transfer de căldură

Soarele este o masă de gaz auto-gravitativă, în echilibru hidrostatic , adică în echilibru între forța de greutate și presiune . În interior, energia dezvoltată (căldura) se propagă prin convecție și, de asemenea, prin radiații.

În regiunile Soarelui unde temperatura este foarte ridicată, materia se încălzește considerabil, când diferența de temperatură crește în valoare, același lucru se întâmplă ca într-o oală plină cu apă atunci când este expusă focului .

Elementele fluide se încălzesc și se extind, devin mai ușoare și se ridică la suprafața unde încep să se răcească. Apoi coboară în jos, și astfel există cicluri convective , prin care căldura este transportată din zonele mai calde în cele mai reci, redistribuind temperatura și în acest fel are loc mecanismul de transport al căldurii tipic mijloacelor fluide.

La stelele mai mari , temperatura din centru este mai mare și energia este produsă prin ciclul CNO , care este mai energic; acest lucru duce la dezvoltarea unui nucleu total convectiv, unde aceleași cicluri amestecă elementele produse de reacție cu cele mai externe.

În Soare chiar în jurul nucleului, unde au loc reacțiile de fuziune , există un strat de gaz numit radiativ, la rândul său, înconjurat de un strat numit zona convectivă cu o grosime de 150.000 km . Din zona radiativă energia este transportată prin fotoni , care sunt transferați de la un ion la altul într-un proces foarte lent, care durează câteva milioane de ani, și se deplasează spre exterior acolo unde temperatura gazului scade; electronii se recombină și astfel pot reabsorbi un foton și pot fi smulși din atom : toate acestea determină o încetinire a radiației. Astfel se dezvoltă mișcări convective în gaz, adică bule care se ridică spre suprafața unde se răcesc, provocând transferul de energie care altfel ar rămâne în interior.

Atmosfera Pământului

Nicovală cumulonimbă , un semn clar al convecției libere, locul averselor și furtunilor

În meteorologie și fizica atmosferei, există două tipuri de convecție: convecția naturală sau liberă care se stabilește datorită diferențelor de temperatură dintre masele de aer și aerul din jur și convecția forțată care se stabilește asupra unei mase de aer datorită efectului, de exemplu , a unei ascensiuni orografice ( stau ) a unui lanț muntos .

Într-o furtună, aerul fierbinte și umed se ridică într-o mișcare convectivă, când ajunge într-o zonă de presiune mai mică, se răcește și se extinde; aerul rece nu poate reține toată umiditatea din aerul cald, astfel încât apa suplimentară este expulzată. Aceasta, datorită unei mișcări convective moderate, formează norii , dar atunci când apa este în cantitate excesivă, se obține ploaie .

Trecând la starea lichidă , apa se răcește, eliberând căldura furnizată anterior de Soare pentru a evapora masa și returnând astfel energie în aer. Ca urmare, aerul care se ridică va fi mai cald decât straturile înconjurătoare, deci va continua să crească violent.

Notă

^(RO) DOE Fundamentals Handbook - "Termodinamică, transfer de căldură și flux de fluid" (Volumul 2 din 3), pp. 18-20. Arhivat la 15 august 2016 la Internet Archive .

Bibliografie

(EN) Robert Byron, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , ediția a doua, New York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4 .
( EN ) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer , ediția a VI-a, Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere în convecție

linkuri externe

( EN ) Convection , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85059761 · GND (DE) 4117572-4 · NDL (EN, JA) 00.572.556

Portalul de astronomie	Portalul de fizică
Portal de inginerie	Portalul Termodinamicii

[1] (RO) DOE Fundamentals Handbook - "Termodinamică, transfer de căldură și flux de fluid" (Volumul 2 din 3), pp. 18-20. Arhivat la 15 august 2016 la Internet Archive .

[1]

V · D · M Schimb de caldura
Mod	Conducere · convecție · Iradiere
Schimbătoare de căldură	Schimbător bloc · Tub schimbător și manta · schimbator înotătoare · Placa schimbator de caldura · Schimbător spirala · schimbator tub dublu · echipamente cu manta · suprafete imersate · Cuptor · Turn de răcire · Schimbător de flacara scufundată · schimbătoarelor Ljungström · regeneratoarele Cowper · panouri solare · marine Saline · Evaporator · Condensator · Aripioare vii · Regenerator Frankl
Criogenica	Azot lichid · Criochirurgie · Demagnetizare adiabatică · Azot lichid Economie · Diluare răcitor de lichid · balon vid
Variat	Aducție (fizic) · Coeficient de schimb termic · Conductivitate termică · difuzivitatea termică · ecuatie termica · termica Radiation · Rezistenta termica · TERMOTECNICA