Конвекция. Конвективный теплообмен | Физика

Конвекция (от лат. convectio — доставка) — это перенос массы в результатеперемещения газа или жидкости.

Существуют различные виды конвекции. Мы рассмотрим свободную и вынужденную конвекции.

Свободная конвекция в газе или жидкости возникает тогда, когда имеются небольшие об­ласти, в которых плотность отличается от плотности основной окружающей их массы вещества. Тогда в условиях земного тяготения под действием силы Архимеда эти области начинают переме­щаться. Примером свободной конвекции является всем известное движение воздуха в помещении, в котором топится печь, имеется радиатор или другой источник тепла.

Поясним сказанное на примерах.

Поместив руку над горячей плитой или горящей электрической лампочкой, можно почувс­твовать, что над ними поднимаются теплые струи воздуха. Небольшая бумажная вертушка, пос­тавленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться.

Это явление можно объяснить таким образом. Часть воздуха, которая соприкасается с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотной, чем окружающий ее более холод­ный воздух. Под действием архимедовой (выталкивающей) силы эта более теплая часть воздуха начинает подниматься вверх. Ее место заполняет холодный воздух. Через некоторое время, про­гревшись, этот слой воздуха также поднимается вверх, уступая место следующей порции воздуха, и т. д. Это и есть конвекция. В результате перемещения более теплых слоев воздуха происходит перенос тепла (т. е. энергии), или конвективный теплообмен.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Нагретые слои жидкости, менее плотные и поэтому более легкие, вытесняются вверх более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой жидкостью. Благодаря такому движению жидкость равно­мерно прогревается. Это становится наглядным, если на дно колбы с водой бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает воду в фиолетовый цвет.

Вынужденная конвекция вызывается внешним механическим воздействием на среду. Приме­рами ее являются обычное перемешивание жидкости ложечкой, движение воздуха в комнате под действием вентилятора, течение жидкости в трубе под действием гидронасоса и т. д. Физические процессы, происходящие при вынужденной конвекции, связанной с движением тел с большими скоростями в атмосфере, моделируются в аэродинамических трубах, где воспроизводится обтека­ние неподвижных моделей потоком воздуха.

Таким образом, конвективный теплообмен может осуществляться в газообразной и жидкой среде при условии, что имеется разность температур между частями этой среды. Для осуществле­ния эффективного конвективного теплообмена в земных условиях в жидкостях и газах их следует прогревать снизу. Если их прогревать сверху, конвекция не происходит, ведь теплые слои и так находятся сверху и опуститься ниже холодных, более тяжелых, они не могут.

В отсутствие силы тяжести (в ракете, спутнике, межпланетном корабле) конвекция наблю­даться не будет. Следовательно, пользоваться там, например, спичками и газовыми горелками нельзя: продукты сгорания затушат пламя.

Конвекция в твердых телах происходить не может, поскольку частицы в них колеблются около определенной точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твердых тел потоки вещества в них образовываться не могут. Энергия в твердых телах передается теплопроводностью.

Конвекция — это… Что такое Конвекция?

        перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную К.

         Естественная К. возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих веществ, находящихся в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы F_A перемещается относительно менее нагретого вещества. Сила F_A = Δρ∙V (Δρ — разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды, V — объём нагретого вещества). Направление силы F_A, а следовательно, и К. для нагретых объёмов вещества противоположно направлению силы тяжести. К. приводит к выравниванию температуры вещества. При стационарном подводе теплоты к веществу в нём возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев к менее нагретым. С уменьшением разности температур между слоями интенсивность К. падает. При высоких значениях теплопроводности и вязкости среды К. также оказывается ослабленной. На К. ионизованного газа (например, солнечной плазмы) существенно влияет магнитное поле и состояние газа (степень его ионизации и т.д.). В условиях невесомости естественная К. невозможна.

         При вынужденной К. перемещение вещества происходит главным образом под воздействием какого-либо устройства (насоса, мешалки и т.п.). Интенсивность переноса теплоты здесь зависит не только от перечисленных выше факторов, но и от скорости вынужденного движения вещества.

         К. широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы (см. Конвекция в атмосфере), морях и океанах (см. Конвекция в океане), в недрах Земли, на Солнце (в слое до глубины Конвекция20—30% радиуса Солнца от его поверхности) и т.д. С помощью К. осуществляют охлаждение или нагревание жидкостей и газов в различных технических устройствах (см. Конвективный теплообмен).

        в атмосфере, вертикальные перемещения объёмов воздуха с одних высот на другие, обусловленные архимедовой силой: воздух более тёплый и, следовательно, менее плотный, чем окружающая среда, перемещается вверх, а воздух более холодный и более плотный — вниз. При слабом развитии К. имеет беспорядочный, турбулентный характер. При развитой К. над отдельными участками земной поверхности возникают восходящие и нисходящие токи воздуха, пронизывающие атмосферу иногда до высот стратосферы (проникающая К.). Вертикальная скорость восходящих токов (термиков) при этом обычно порядка нескольких м/сек, по иногда может превышать 20—30 м/сек. С проникающей К. обычно связано образование облаков К. — кучевых и кучево-дождевых (грозовых).

         Развитие К. зависит от распределения температуры в атмосфере по высоте. Восходящий воздух поднимается до тех пор, пока его температура остаётся выше температуры окружающего воздуха; нисходящий воздух, в свою очередь, опускается, пока он холоднее окружающего воздуха. Но восходящий воздух вследствие расширения охлаждается на 1 °С на 100

м подъёма (пока в нём не началась конденсация) — так называемый сухоадиабатический градиент, а после начала конденсации (образования облаков), сопровождающейся выделением скрытой теплоты, — на переменную величину в несколько десятых долей градуса на 100 м подъёма (так называемый влажноадиабатический градиент). Поэтому для поддержания К. нужно, чтобы вертикальный градиент температуры в атмосферном столбе был больше сухоадиабатического градиента до уровня, на котором начинается конденсация, и больше влажнодиабатического над этим уровнем, т. е. атмосфера должна обладать неустойчивой стратификацией (см. Стратификация атмосферы). Такие условия создаются летом в воздухе над прогретой сушей и во все времена года в воздухе, движущемся с более холодной на более тёплую поверхность. Слои с малыми вертикальными градиентами температуры, особенно с инверсиями температуры (См. Инверсии температуры)

, являются для К. задерживающими слоями.

         Лит.: Матвеев Л. Т., Основы общей метеорологии, Л., 1965; Шметер С. М., Физика конвективных облаков, Л., 1972.

         С. П. Хромов.

        в океане, вертикальное движение воды, вызванное изменением её плотности в результате изменения температуры или солёности. Если плотность воды однородна по горизонтали и с глубиной возрастает, то вода находится в равновесии. В противном случае начинается опускание более плотной воды до глубины, на которой плотность опустившейся воды станет равной плотности окружающих вод. К. ведёт к перемешиванию и выравниванию по вертикали физических и химических характеристик воды, обогащению кислородом нижележащих слоев и т.

д. В придонных областях океана (в частности, в глубоководных впадинах) могут иметь место случаи уменьшения плотности с глубиной, например за счёт геотермического притока тепла из недр Земли. В ряде случаев это уменьшение плотности с глубиной сопровождается К., охватывающей значительную толщу придонных вод (порядка нескольких сотен м по вертикали),

         Большую роль в режиме океана играет К. в период осенне-зимнего охлаждения (так называемая зимняя вертикальная циркуляция), так как в этот период К. распространяется на большие глубины, а в отдельных субтропических и тропических морях с большой солёностью воды — до дна (Средиземное море, Красное море, Персидский залив), Поскольку благодаря К. зимой в океане непрерывно происходит подъём к поверхности более тёплых вод с глубин, климат прилегающих стран смягчается.

         А. М. Муромцев.

Конвекция. Центральное отопление. Фен :: Класс!ная физика

КОНВЕКЦИЯ

— это перенос энергии струями жидкости или газа.
При конвекции происходит перенос вещества в пространстве.
Объяснить явление конвекции можно тепловым расширением тел и законом Архимеда .
Конвекция невозможна в твёрдых телах.
Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев жидкости или газа и агрегатного состояния вещества.

Конвекция может быть двух видов:

так, например, в лампе для ее возникновения требуется подогрев жидкости снизу
(или в другом устройстве — охлаждение сверху).

когда под действием вентиляторов, насосов, движения ложки и т.п. переносятся потоки газа или жидкости.

Красивый опыт с конвекцией жидкости.

Возьмите большую стеклянную банку с широким горлышком и заполните ее чистой холодной водой. В другой небольшой (чтобы проходил через горло большой банки) керамический сосуд налейте очень горячей подкрашенной обычными красками или марганцовкой (зеленкой) воды.

Закрыв пальцем горлышко маленького сосуда, опустите его на дно большой банки с водой.
Струйки горячей подкрашенной жидкости, извиваясь, начнут подниматься к поверхности. Вы будете наблюдать явление конвекции в жидкости, когда более легкая горячая жидкости, перемешиваясь с холодной водой, устремится вверх.

Интересно, что в сильные морозы глубокие водоемы не промерзают до дна, и вода внизу имеет температуру +4 градуса Цельсия. Оказывается, что вода при такой температуре имеет наибольшую плотность и опускается на дно. Поэтому дальнейшая конвекция теплой воды наверх становится невозможной и вода более не остывает.

Керосиновая лампа, масляная…
Каково назначение лампового стекла?

Тысячелетия люди обходились без стекла, используя открытый огонь. И только Леонардо да Винчи придумал окружить огонь цилиндрическим экраном, но сначала не стеклянным, а металлическим. Только спустя 300 лет появилась стеклянная колба для лампы. Главная роль стекла усилить яркость пламени, т.е. ускорить процесс горения ( стекло усиливает приток воздуха к пламени и увеличивает тягу). Второстепенная роль — защита пламени от ветра.

Устали? — Отдыхаем!

Конвекция: определение и примеры конвекции

Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

Что представляет собой?

В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.

Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел

Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

Возникновение понятия

Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.

Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда.

Виды конвекции

Существует несколько видов описываемого нами явления – естественная и вынужденная конвекция. Пример перемещения потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения как нельзя лучше характеризует процесс естественной конвекции. Что касается вынужденной, то ее можно наблюдать при перемешивании жидкости ложкой, насосом или мешалкой.

Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

Конвекция в слоях земной коры

Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще земной коры. Рассматривать земной шар можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

Окружающими слоями для земного ядра выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

Отличия конвекции от теплопроводности

Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.

Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

Примеры явления

Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха. Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты.

Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.

Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике

Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

• движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
• образование и движение облаков;
• процесс движения ветра, муссонов и бризов;
• смещение тектонических земных плит;
• процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

Приготовление пищи

Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.

Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.

Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!

что это такое, особенности и примеры в быту. Жми!

Конвекция, если переводить дословно с латинского языка, означает теплообмен, в котором холодный воздух, поступая в устройство, проходит через систему нагревательных элементов и выходит горячим потоком.

На фото изображен обогреватель – конвектор в жилом помещении, который имеет встроенные спирали, без принудительной вентиляции. В данном оборудовании соблюдаются физические свойства воздуха – холодный остается внизу, а теплый поднимается.

Естественная конвекция существует и в других бытовых приборах: холодильнике, морозильнике, кипящей кастрюле с жидкостью и так далее.

Это интересно: в природе очень часто наблюдается естественная конвекция, например, как движение мантии Земли.

Это возникает самопроизвольно, когда нижние слои вещества нагреваются и высвобождаются, а верхние, в свою очередь, остывают и опускаются вниз. Ветры, муссоны и бризы, так же относятся к конвекции. Происходит естественное охлаждение воздуха (повышается влажность), и он начинает циркулировать.

Принудительная конвекция широко применяется в производстве устройств, имеющих насосы и вентиляторы. К таким приборам можно отнести: электрические отопительные радиаторы в квартирах, бытовую технику, запчасти для машин и многое другое.

Интересный факт: если посмотреть на аббревиатуру с точки зрения физики, то конвекцией можно назвать любое перемещение теплых масс или электрических зарядов.

Не имеет значение, под какой силой происходит процесс – главное, чтобы одно состояние объекта свободно перетекало в другое.

Знаменитый философ, математик и мыслитель Архимед научился объяснять, откуда берется конвекция, и почему при нагреве тела расширяются. Он провел ряд вычислений и исследования, показывающих, что при определенной температуре увеличивается объём вещества — жидкости или газа, а плотность указанных веществ уменьшается.

Смотрите видео, в котором специалист рассказывает об одном из видов теплопередачи — конвекции:

Это интересно! Теплоотражающий экран за радиатором: как установить самостоятельно и преимущества его использования

Вконтакте

Одноклассники

Facebook

Twitter

Мой мир

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

Видите неточности, неполную или неверную информацию? Знаете, как сделать статью лучше?

Хотите предложить для публикации фотографии по теме?

Пожалуйста, помогите нам сделать сайт лучше! Оставьте сообщение и свои контакты в комментариях — мы свяжемся с Вами и вместе сделаем публикацию лучше!

Конвекция — Технарь

Жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, батареи отопления, от которых нагревается воздух в комнате, помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над гонящей лампой, мы заметим, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 185). Здесь мы наблюдаем иной вид теплопередачи, который называют конвекцией.

При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости. Воздух, который соприкасается с плитой или лампой, нагревается от ее поверхности и расширяется. Плотность расширившегося воздуха меньше, чем плотность холодного, и поэтому слой теплого воздуха всплывает в холодном воздухе. Ведь архимедова сила, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, действующая на теплый воздух, направленная вниз. Затем прогревается и- начинает двигаться вверх следующий слой холодного воздуха и т. д.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, опускают на дно стеклянной колбы кристаллик красящего вещества, например марганцовокислого калия, и ставят колбу на огонь. Замечают, что вода начинает перемещаться по замкнутым линиям — циркулировать: нагретые нижние слои воды выталкиваются холодной водой и поднимаются вверх (рис. 186). Благодаря циркуляции вся вода равномерно прогревается. Здесь, как и в газе, энергия переносится с одного места на другое с потоками вещества — воды.

Конвекция происходит в наших жилых комнатах (рис. 187), благодаря чему нагревается воздух в них.

Мы рассмотрели конвекцию, которая является естественной, или свободной. Если же неравномерно нагретую жидкость (или газ) перемешивать насосом или мешалкой, то произойдет вынужденная конвекция.

Теперь можно ответить на вопрос, поставленный в начале этого параграфа: почему жидкости и газы нагревают, как правило, снизу? Попробуем прогреть воду, налитую в пробирку, так, как показано на рисунке 188. Верхний слой воды закипит, а нижние слои останутся холодными. Если на дно пробирки поместить кусочки льда, они даже не растают. Почему? При таком способе нагревания не может происходить конвекция, ведь нагретые слои воды не могут опуститься ниже холодных, более тяжелых слоев. Может быть, вода прогреется благодаря теплопроводности? Но, как видно из этого опыта, теплопроводность воды мала, и пришлось бы очень долго ждать, пока вода прогреется. Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух в пробирке, если его нагревать сверху (рис. 189).

В твердых телах, где свобода движения молекул ограничена, конвекция происходить не может. Вспомним, что каждая частица кристаллического твердого тела лишь колеблется около одной точки, удерживаемая сильным взаимным притяжением с другими частицами. Поэтому при нагревании твердого тела в нем не могут образовываться потоки вещества. Повседневный опыт подтверждает это. В твердых телах энергия передается теплопроводностью.

Вопросы.

1. Опишите опыт, показывающий, что воздух над нагретой лампой перемещается. 2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой. 3. Объясните, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь. 4. В чем состоит явление конвекции? 5. Чем отличается естественная конвекция от вынужденной? 6. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 7. Почему конвекция невозможна в твердых телах?

Какие виды конвекции существуют — MOREREMONTA

Течение жидкостей и газа

Ползущее течение

Ламинарное течение

Потенциальное течение

Отрыв течения

Вихрь

Неустойчивость

Турбулентность

Конвекция

Ударная волна

Сверхзвуковое течение

Конвекция (от лат. convectiō — «перенесение») — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.

Содержание

Виды конвекции [ править | править код ]

Естественная — нагревание/остывание жидкости, воздуха в комнате, воды в океане, устойчивые ветра (пассаты, муссоны).

Вынужденная — перемешивание жидкости или газа (мешалкой, ложкой, насосом, вентилятором).

Виды конвекции по причине появления [ править | править код ]

• Термогравитационная конвекция — обычная, под действием разности температур в поле гравитации, из-за силы Архимеда

• Ячейки Бенара

Термокапиллярная конвекция — под действием силы поверхностного натяжения

Концентрационная конвекция — под действием градиента концентрации растворённого вещества (осмос, см. также эффект Марангони)

Термомагнитная конвекция — в магнитных жидкостях под действием магнитного поля в поле гравитации

Гранулярная конвекция ( англ. ) — в сыпучих неоднородных средах

Термострессовая конвекция — под действием температурных напряжений

Термодинамическая конвекция — перенос теплоты потоком вещества, возникающих в поле сил тяжести при неравномерном нагреве газообразных, текучих или сыпучих веществ. [источник не указан 2563 дня]

Математическое описание [ править | править код ]

Наиболее популярной моделью для описания конвекции в жидкостях и газах является приближение Буссинеска

Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

Что представляет собой?

В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.

Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел

Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

Возникновение понятия

Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.

Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда.

Виды конвекции

Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

Конвекция в слоях земной коры

Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще земной коры. Рассматривать земной шар можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

Окружающими слоями для земного ядра выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

Отличия конвекции от теплопроводности

Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.

Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

Примеры явления

Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.

Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике

Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

• движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
• образование и движение облаков;
• процесс движения ветра, муссонов и бризов;
• смещение тектонических земных плит;
• процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

Приготовление пищи

Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.

Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.

Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!

Читайте также:

1. А это христианские летописи: «Слово о законе и благодати митрополита Иллариона». 1 страница
2. Адгезия резины к металлокорду и ее сохранение
3. Активные континентальные окраины, их типы и строение
4. Билет 12
5. Билет 19
6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЧАСЫ — И ОПТИМИЗАЦИЯ ЗДОРОВЬЯ 2 страница
7. Биологическое и социальное в природе человека – единство и противоречие
8. БЫТЬ В АВАНГАРДЕ — САМАЯ ПОЧЕТНАЯ ПОЗИЦИЯ ДЛЯ ЛИДЕРА
9. Васти: промывание ануса и нижней части кишечного тракта
10. Ваш ребенок 19 страница
11. Введение
12. Вергилий

Коэффициент теплопроводности при комнатной температуре.

Порядок величины коэффициента теплопроводности для различных веществ.

Материалы	,Вт/мк	Материалы	,Вт/мк
Серебро	458 (400)	Железо	1,85
Медь	384 (400)	Кирпич красный	0,77
Алюминий	209	Шлаковая вата	0,07
Чугун	63	Пенопласт	0,04
Сталь углеродистая	45 (50)	Воздух	0,0245
Вода	0,55	Водород	0,175 (0,2)
Мазут	0,116	Углекислый газ	0,015

Конвекция-это 2 ой способ переноса тепла в пространстве.

Конвекция— это перенос тепла в жидкостях и газах с неравномерным распределением температуры за счет движения макрочастиц.

Перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества носит название конвективного теплопереноса, или просто конвекции.

Теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела. Этот процесс получил специальное название конвективная теплоотдача (теплота отдается от жидкости к поверхности или наоборот)

Но конвекции в чистом виде не существует она всегда сопровождается теплопроводностью, такой совместный перенос тепла называется конвективным теплообменом.

Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота,— поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Теплопередача-это перенос тепла от одной жидкости к другой через разделяющую их твердую стенку.

Виды_ движения жидкости. Различают вынужденную и естественную конвекцию. Движение называется вынужденным, если оно происходит за счет внешних сил, не связанных с процессом теплообмена. Например, за счет сообщения ей энергии насосом или вентилятором. Движение называется свободным, если оно определяется процессом теплообмена и происходит за счет разности плотностей нагретых и холодных макрочастиц жидкости.

Режимы .движения, жидкости. Движение жидкости может быть установившимся и неустановившимся. Установившимся называется такое движение, при котором скорость во всех точках пространства, занятого жидкостью, не изменяется во времени. Если скорость потока изменяется во времени (по величине или направлению), то движение будет неустановившееся.

Экспериментально установлено два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме все частицы жидкости движутся параллельно друг другу и ограждающим поверхностям. При турбулентном режиме частицы жидкости движутся хаотически, неупорядоченно. Наряду с направленным движением вдоль потока частицы могут двигаться поперек и навстречу потоку. При этом скорость жидкости непрерывно изменяется как н величине, так и по направлению.

Выделение ламинарного и турбулентного режимов имеет большое значение, так как в зависимости от режима различным будет механизм переноса тепла в жидкости. При ламинарном режиме тепло в поперечном направлении потока переносится лишь путем теплопроводности, а при направлении потока переносится лишь путем теплопроводности, а при турбулентном, кроме того, и за счет турбулентных вихрей, или конвекции.

Понятие пограничного слоя. Исследования показали, что в потоке вязкой жидкости, омывающем какое-либо тело, по мере приближения к его поверхности скорость уменьшается и на самой поверхности становит­ся равной нулю. Вывод о том, что скорость жидкости, лежащей на по­верхности тела, равна нулю, называется гипотезой прилипания. Она спра­ведлива до тех пор, пока жидкость можно рассматривать как сплошную среду.

Пусть неограниченный поток жидкости движется вдоль плоской поверхности (рис). Скорость жидкости вдали от нее равна w0, а на самой поверхности согласно гипотезе прилипания равна нулю. Следовательно, около поверхности существует слой замороженной жидкости, называемый динамическим пограничным слоем, в котором скорость изменяется от 0 до …. Так как скорость в пограничном слое приближается к w _{асимптотически, то вводят следующее определение его толщины: толщиной динамического пограничного слоя называется расстояние от поверхности, на котором скорость отличается от w0 ,на определенную величину, обычно на 1%.}

По мере движения вдоль поверхности толщина пограничного слоя растет. Вначале образуется ламинарный пограничный слои, который с ростом толщины становится неустойчивым и разрушается, превращаясь в турбулентный пограничный слой. Однако и здесь, вблизи поверхности, сохраняется тонкий ламинарный подслой……., в котором жидкость движется ламинарно. На рис. показано изменение скорости в пределах ламинарного (сечение I) и турбулентного (сечение II) по

Дата добавления: 2015-04-24 ; Просмотров: 3101 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Конвекция — Проводимость, конвекция и излучение — GCSE Physics (Single Science) Revision

Fluids

Жидкости и газы являются жидкостями, потому что их можно заставить течь. Частицы в этих жидкостях могут перемещаться с места на место. Конвекция возникает, когда частицы с большим количеством тепловой энергии в жидкости или газе перемещаются и заменяют частицы с меньшей тепловой энергией.

Воздушный поток около радиатора

Тепловая энергия передается из горячих мест в более прохладные посредством конвекции.

Стакан нагревается, и цветная жидкость внутри показывает конвекционные потоки.

Жидкости и газы расширяются при нагревании.

Это связано с тем, что частицы в жидкостях и газах движутся быстрее, когда они нагреваются, чем когда они холодные.

В результате частицы занимают больший объем. Это связано с тем, что зазор между частицами увеличивается, а сами частицы остаются того же размера.

Жидкость или газ в горячих областях менее плотная, чем жидкость или газ в холодных областях, поэтому они поднимаются в холодные области.

Более плотная холодная жидкость или газ попадает в теплые области.

Таким образом создаются конвекционные потоки, , которые переносят тепло с места на место.

Конвекционные токи можно увидеть в лавовых лампах. Воск внутри лампы нагревается, становится менее плотным, чем жидкость, и поэтому поднимается вверх.

Когда он поднимается, он остывает и снова становится плотнее, поэтому он опускается. Тот же эффект можно увидеть, поместив кристалл перманганата калия в стакан с водой и осторожно нагревая его.

Конвекция объясняет, почему поднимаются воздушные шары, а также почему на чердаках домов часто бывает жарче, чем внизу.

Как и в этих примерах, конвекция видна в гораздо большем масштабе в нашей погоде и океанских течениях.

Конвекция: что это и как работает?

Тепло на самом базовом уровне — это кинетическая энергия атомов и молекул. Конвекция влияет на все, от отопления вашего дома до процесса теплопередачи внутри солнца.

Взаимосвязь между температурой и плотностью

Когда твердое тело, жидкость или газ нагреваются, составляющие его атомы или молекулы колеблются все больше и больше; эти повышенные колебания требуют большего объема для каждого атома / молекулы.

В газе это выражается не как «вибрация», а как повышенная скорость частиц и, следовательно, повышенное давление на емкость с газом. По этой причине большинство материалов расширяются на при нагревании.В большей степени это происходит с газами, но в меньшей степени с жидкостями и твердыми телами.

Когда что-то расширяется, оно становится менее плотным; в единице объема меньше частиц и, следовательно, меньше массы, чем было раньше. Но в жидкостях и газах (флюидах) область с более низкой плотностью будет подниматься и плавать над областями с более высокой плотностью из-за влияния силы тяжести. Эти две концепции, что тепло вызывает уменьшение плотности и что жидкость поднимается и опускается в зависимости от плотности, объединяются, чтобы создать явление теплопередачи конвекции.

Определение конвекции

Конвекция — это метод передачи тепловой энергии, при котором передача тепла происходит посредством движения жидкости. Это движение жидкости вызвано разницей в плотности между более горячими областями жидкости и более холодными областями. Эти движения называются конвекционными потоками , и конвективное движение жидкости продолжается до тех пор, пока существует разница температур между областями.

Эта разница температур особенно велика, когда на одной стороне жидкости есть источник тепла, например обогреватель возле пола в комнате.Теплый воздух внизу непрерывно движется вверх, тогда как более холодный воздух движется вниз, чтобы нагреться, а затем также движется вверх. Движение воздуха вызывает круговые токи, которые будут продолжаться, пока воздух не достигнет равновесной температуры; в стакане воды комнатной температуры обычно не будет конвективных токов, а в стакане воды со льдом будут конвективные потоки.

Конвекцию часто описывают как комбинацию двух физических процессов: адвекции и диффузии. Advection — это перенос вещества за счет массового движения, такого как движение ила русла реки потоком реки. Диффузия — это перенос вещества движением частиц из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, например движение частиц красителя, распространяющихся через стакан с водой.

Поскольку конвекция перемещает более горячее вещество вверх, а более холодное — вниз, это происходит как за счет перемещения вещества в объеме (адвекция), так и в виде частиц (диффузия).

Конвекция по определению не может возникать в твердых телах из-за неспособности создать поток жидкости в твердом веществе (частицы не могут двигаться относительно друг друга, а могут только колебаться на месте). Вместо этого передача тепла в твердых телах происходит за счет теплопроводности или передачи колебательной энергии от одного атома или молекулы твердого кристалла к его соседям. Есть некоторые исключения из этого в мягких твердых телах, где частицы могут перемещаться друг мимо друга.

Отопление и охлаждение вашего дома

Помня о конвекции, вы можете более эффективно обогревать или охлаждать ваш дом.Поскольку горячий воздух имеет тенденцию подниматься, а холодный — опускаться, это помогает расположить обогреватели ближе к полу, а кондиционеры — выше.

Потолочные вентиляторы обычно могут работать в обоих направлениях: либо выдувать воздух сверху, либо выдувать воздух снизу. Летом обычно полезно обдувать воздухом, так как вы чувствуете, как конвективный ветерок охлаждает вашу кожу; втягивание воздуха полезно зимой, потому что оно помогает выталкивать горячий воздух вниз и наружу к стенам, не дуя прямо на вас.

Замерзающее озеро

По мере охлаждения вода сжимается и становится более плотной, как и большинство других веществ. Однако, когда он остывает примерно до 4 градусов по Цельсию, он фактически начинает немного расширяться. Вода уникальна тем, что ее твердая форма, лед, менее плотная, чем жидкая. Таким образом, хотя обычно он становится более плотным по мере охлаждения, в определенный момент эта тенденция меняется на противоположную, и он начинает расширяться до точки замерзания, равной 0 градусам Цельсия. Это влияет на работу конвекции в замерзающем озере.

По мере того, как вода в озере охлаждается, она опускается по мере подъема более теплой воды, но только до тех пор, пока температура всего озера не достигнет 4 градусов по Цельсию. В этот момент конвекция меняется на противоположную: вода, температура которой ниже 4 градусов Цельсия, менее плотная, чем более теплая вода, а это означает, что верхняя часть озера становится холоднее, чем дно, и образуется лед. Вот почему сначала замерзают озера сверху.

Солнечная конвекция

Солнце (как и большинство звезд) испытывает внутреннюю конвекцию с более горячей плазмой и более холодной плазмой.В зоне конвекции Солнца, которая простирается внутрь от его внешней поверхности, тепловая энергия переносится из горячих внутренних частей Солнца в более холодные внешние области посредством конвективных токов.

Это создает « конвекционных ячеек », которые представляют собой темные и светлые пятна, которые вы можете видеть на поверхности Солнца. Световые пятна — это конвекционные ячейки горячей плазмы, только что поднявшейся изнутри; темные пятна представляют собой конвективные ячейки плазмы, которая остыла и скоро вернется обратно через конвективную зону.

Эти темные и светлые пятна также иногда называют солнечными гранулами. В среднем они составляют около 1000 км в диаметре (длина штата Калифорния) и остаются на поверхности всего от восьми до 20 минут. В любой момент на поверхности Солнца содержится около четырех миллионов гранул!

Другие примеры конвекции

Конвекция чрезвычайно важна в метеорологии или изучении погоды. Потоки теплого и прохладного воздуха в атмосфере создают облака различной формы, а также грозы, торнадо и погодные фронты.

Некоторые печи могут выпекать за счет конвекции. В конвекционных печах используются вентиляторы и вытяжная система, которые обеспечивают циркуляцию воздуха внутри духовки во время выпечки, направляя горячий воздух прямо на продукты. Это позволяет продуктам готовиться быстрее и равномернее, чем если бы их просто поместили рядом с нагревательными элементами духовки. Это также делает внутреннюю часть духовки суше и менее влажной, что может быть лучше для подрумянивания пищи.

Магнитное поле Земли создается конвекционными токами во внешнем ядре.В центре Земли находится твердое внутреннее ядро, окруженное жидким внешним ядром, состоящим в основном из железа и никеля. Оба эти металла являются хорошими проводниками электричества. Конвекционные токи в этом жидком слое создают электрические токи в жидком металле, которые создают магнитные поля; сумма этих магнитных полей и есть магнитное поле Земли, которое направляет все компасы на Северный полюс и защищает Землю от космического излучения.

Конвекция в науке: определение, уравнения и примеры — видео и стенограмма урока

Что такое конвекционные токи?

Вы когда-нибудь держали руку над кастрюлей с кипящей водой? Вы, наверное, не смогли бы удерживать его там долго.Но когда вы кладете руку рядом с того же банка, вы чувствуете себя прекрасно. Почему так случилось? Из-за конвекции!

Существует три типа теплопередачи: кондуктивная, конвекционная и радиационная. Конвекция — это тип теплопередачи, которая может происходить только в жидкостях и газах, потому что она включает эти жидкости или газы, физически движущиеся.

Конвекция возникает, когда существует разница температур между двумя частями жидкости или газа. Горячая часть жидкости поднимается, а более холодная опускается.Но давайте возьмем пример, чтобы подумать о , почему это происходит с , чтобы не предположить, что у жидкости есть собственный разум.

После дня хорошего и основательного обучения пора сделать перерыв. Вы ставите чайник, чтобы заварить чашку чая. Чайник нагревает воду снизу, давая молекулам у дна больше кинетической энергии (энергии движения). Это дополнительное движение позволяет молекулам немного разойтись. Если они больше разнесены, значит, вода менее плотная. Холодная вода обычно плотнее горячей.

Конвекционные токи в кипящей воде — кастрюле или чайнике

Что произойдет, если вы поместите что-то менее плотное внутрь более плотного? Что ж, попробуйте положить пробку под воду. Вы не удивитесь, увидев, как он прыгнет прямо на поверхность. Таким же образом горячая вода на дне чайника менее плотная, чем холодная вода над ним, поэтому она будет подниматься на поверхность. Попав туда, он снова остывает, потому что находится дальше от нагревательного элемента.Это заставляет его становиться более плотным и тонуть.

Эти движения воды являются конвекционными потоками, поэтому кипящая вода так сильно перемещается. Вода нагревается и становится менее плотной, затем поднимается и охлаждается, снова становясь более плотной, пока не тонет. Этот процесс повторяется снова и снова. И все это из-за простой разницы температур между верхом и низом чайника.

Итак, буквально минуту назад я спросил вас, почему так жарко над кипящей водой, когда совершенно удобно положить рядом с ней руку.Причина этого — конвекционные токи. Это потому, что нарастает жара. Когда вы кладете руку рядом с горшком, вы получаете энергию через другие типы теплопередачи, такие как теплопроводность и излучение. Но не очень. Однако над ним вы добавляете в смесь конвекцию. Нагретый воздух буквально поднимается к вам к руке.

Мантийная конвекция

Мантийная конвекция

Мантийная конвекция

Конвекция — наиболее эффективный вид теплопередающего механизма.Это обычно наблюдается во многих естественных условиях и, скорее всего, является способом передачи тепла из недр Земли.

Все мы и раньше видели конвекцию. Каждый раз, когда мы варить кастрюлю с водой, например, возникает конвекция. Слева мы видим изображение горшок с водой, подогреваемый снизу. Вода рядом с пламенем (источник тепла) нагревается (красные стрелки) и поднимается, потому что расширяется и имеет меньшую плотность, чем вода выделяет тепло, остывает наверху (синие стрелки) и снова опускается вниз. По сути, движущаяся (циркулирующая) вода представляет собой конвейерную ленту для переноса тепла от горячее пламя к более холодной поверхности.

Геологи предполагают, что перенос тепла между ядром планеты и поверхностью выполняется аналогично нашей конвекции горячей воды. Мантия нагревается снизу (ядро), а в более горячих областях поднимается вверх (плавучий), тогда как в в более прохладных местах он опускается вниз.Это приводит к появлению конвективных ячеек в мантии, и вызывает горизонтальное движение мантийного материала вблизи поверхности Земли. Этот конвекция имеет место в мантийных породах (смеси силикатных минералов), которые в любой момент время показалось бы нам твердым. Тем не менее, когда силы плавучести действуют на Через миллионы лет этот, казалось бы, твердый материал все-таки движется. Ведет себя как чрезвычайно вязкая жидкость и медленно «ползет». Также в в самых верхних частях мантии температурно-температурные условия таковы, что небольшая часть (несколько процентов) материала, вероятно, находится в расплавленном состоянии. Таким образом, у нас могут быть кристаллы, смешанные с расплавом (очень горячая суспензия), и такой материал будет течь легче.

Хотя мантийная конвекция настолько медленная, что мы не видим ее на самом деле (несколько см в год), за геологические промежутки времени (миллионы лет) эта скорость составляет значительные расстояния перемещения движущегося материала.

Конвекция — обзор | Темы ScienceDirect

4.1 Доставка с помощью конвекции

CeD появился как многообещающий подход для доставки терапевтических средств внутрь мозга, а также решает многие из вышеупомянутых проблем.Этот метод включает прямое введение лекарств в мозг, чтобы обойти ГЭБ, улучшая распределение лекарств по паренхиме мозга. Он включает в себя стереотаксическое размещение нескольких катетеров через черепные заусенцы в паренхиму головного мозга и последующую инфузию противоопухолевых агентов или других терапевтических агентов через микроинфузионный насос (рис. 9). CeD использует градиент давления, установленный на кончике инфузионного катетера, чтобы протолкнуть лекарство во внеклеточное пространство, что приводит к более равномерному распределению лекарства в более высоких концентрациях и на большей площади, чем при введении только путем диффузии [90].CeD обеспечивает прямой доступ к ложу опухоли, что приводит к высоким локальным концентрациям препарата при минимальной системной абсорбции. CeD обладает способностью достигать перитуморальной области и за ее пределами и поэтому предпочтителен при лечении злокачественных глиом, поскольку рецидив обычно происходит в пределах сантиметров от исходной опухоли [91]. Наиболее эффективными агентами для ЦеД являются те, которые плохо транспортируются через ГЭБ, поскольку они не будут перемещаться из интерстиция обратно через ГЭБ в системный кровоток, тем самым сводя к минимуму системную токсичность.Хотя CeD в первую очередь оценивался для применения противоопухолевых агентов, в настоящее время этот метод можно использовать для введения широкого спектра агентов, например, для лечения болезни Альцгеймера и эпилепсии. Этот метод был описан в опубликованных доклинических и ранних клинических исследованиях.

Рис. 9. Система доставки с усиленной конвекцией с использованием микроинфузионного насоса. Молекулы вводятся через канюлю, вставленную в мишень. На кромке канюли поддерживается постоянное положительное давление, приводимое в действие насосом для микроинфузии.

В качестве потенциальных кандидатов для систем CeD было предложено множество лекарств. Юн и др. [92] сообщили в своем исследовании, что CeD — это жизнеспособный метод широкого распределения аденовирусных частиц по трактам белого вещества в модели грызунов. Последующая модификация этих частиц надпарамагнитными частицами оксида железа характеризует сигнатуры МРТ, которые позволят отслеживать распределение векторов в реальном времени.

Кроме того, Bruce et al. [93] продемонстрировали способность CeD проводить химиотерапию и эффективно лечить опухоли, минуя ГЭБ и сводя к минимуму системную токсичность.В этих клинических исследованиях использовались внешние катетеры, которые из-за увеличения риска инфицирования при более длительном размещении сокращали период лечения до 4 дней.

Sonabend et al. [94] использовали одобренный FDA имплантируемый подкожный насос (Synchromed II, Medtronic; Миннеаполис, Миннесота) для лечения спастичности и хронической боли на модели свиньи. Насос был имплантирован в подкожный карман на спине свиньи, а катетер из силикона был введен подкожно и введен во фронтальное белое вещество.Резервуар заполняли смесью топотекана и / или гадолиния и вводили в течение 10 дней. Объемы распределения отслеживались с помощью серийных МРТ, а безопасность и токсичность оценивались ежедневно. Топотекан сохранил свою противоопухолевую биоактивность после длительного воздействия физиологических условий и оказался безопасным. Наряду с переносимостью имплантированной помпы, эти результаты дают основания для перевода этой системы в клинические испытания, и авторам было предложено использовать эту систему для лечения глиом человека.

Однако у CeD есть свои ограничения, и по мере развития техники был отмечен и устранен ряд физических ограничений. К ним относятся обратный поток, пузырьки воздуха, ограничения, окружающие поток в ткани головного мозга, отек белого вещества, неоднородность мишеней, активные опухоли / BBBD, проблемы с соотношением объема инфузии к объему распределения и, наконец, скорость потока [95]. Среди них много традиционных переменных, связанных с фармакологией, включая период полувыведения лекарственного средства и скорость выведения из ткани, а также переменные, специфичные для ЦД.

Конвекция | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обсудите метод передачи тепла конвекцией.

Конвекция вызывается крупномасштабным потоком вещества. В случае с Землей атмосферная циркуляция вызвана потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и потоком холодного воздуха от полюсов к тропикам. (Обратите внимание, что вращение Земли вызывает наблюдаемый восточный поток воздуха в северном полушарии).Автомобильные двигатели охлаждаются потоком воды в системе охлаждения, а водяной насос поддерживает поток холодной воды к поршням. Система кровообращения используется телом: когда тело перегревается, кровеносные сосуды в коже расширяются (расширяются), что увеличивает приток крови к коже, где ее можно охладить за счет потоотделения. Эти сосуды становятся меньше, когда на улице холодно, и больше, когда жарко (поэтому течет больше жидкости и передается больше энергии).

Тело также теряет значительную часть своего тепла в процессе дыхания.

Хотя конвекция обычно сложнее, чем теплопроводность, мы можем описать конвекцию и сделать несколько простых, реалистичных расчетов ее эффектов. Естественная конвекция вызывается выталкивающими силами: горячий воздух поднимается вверх, потому что плотность уменьшается с увеличением температуры. Таким образом, дом на Рисунке 1 поддерживается в тепле, как и горшок с водой на плите на Рисунке 2. Океанские течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция передают энергию из одной части земного шара в другую. Оба являются примерами естественной конвекции.

Рис. 1. Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается, образуя конвективную петлю, которая передает энергию другим частям комнаты. По мере того, как воздух охлаждается у потолка и внешних стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем воздух в помещении, и опускается на пол. Правильно спроектированная система отопления с использованием естественной конвекции, подобная этой, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Рис. 2. Конвекция играет важную роль в теплопередаче внутри этого котла с водой.Попадая внутрь, передача тепла другим частям кастрюли происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, уменьшается по плотности и поднимается, передавая тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется.

Эксперимент на вынос: конвекционные ролики в подогреваемой сковороде

Возьмите две маленькие горшки с водой и с помощью пипетки нанесите каплю пищевого красителя на дно каждой. Оставьте один на скамейке, а другой нагрейте на плите.Посмотрите, как цвет распространяется и сколько времени требуется, чтобы цвет достигал вершины. Наблюдайте, как образуются конвективные петли.

Пример 1. Расчет теплопередачи путем конвекции: конвекция воздуха через стены дома

Большинство домов не герметичны: воздух входит и выходит через двери и окна, через трещины и щели, по проводке к выключателям и розеткам и так далее. Воздух в типичном доме полностью заменяется менее чем за час. Предположим, что дом среднего размера имеет внутренние размеры 12.0 м × 18,0 м × 3,00 м в высоту, и что весь воздух заменяется за 30,0 мин. Рассчитайте теплопередачу в ваттах за единицу времени, необходимую для нагрева входящего холодного воздуха на 10,0 ° C, заменяя тем самым тепло, передаваемое только конвекцией.

Стратегия

Тепло используется для повышения температуры воздуха так, чтобы Q = мк Δ T . Скорость теплопередачи тогда равна [латекс] \ frac {Q} {t} \\ [/ latex], где t — время оборота воздуха. Нам дано, что Δ T равно 10.0ºC, но мы все равно должны найти значения массы воздуха и его удельной теплоемкости, прежде чем мы сможем вычислить Q . Удельная теплоемкость воздуха представляет собой средневзвешенное значение удельной теплоты азота и кислорода, что дает c = c _p ≅ 1000 Дж / кг · ºC из таблицы 1 (обратите внимание, что удельная теплоемкость при постоянном давлении должна использоваться для этого процесса).

Решение

1. Определите массу воздуха по его плотности и заданному объему дома.Плотность рассчитывается исходя из плотности ρ и объема м = ρV = (1,29 кг / м ³ ) (12,0 м × 18,0 м × 3,00 м) = 836 кг.
2. Рассчитайте тепло, передаваемое при изменении температуры воздуха: Q = мк Δ T так, чтобы Q = (836 кг) (1000 Дж / кг · ºC) (10,0ºC) = 8,36 × 10 ⁶ Дж.
3. Рассчитайте теплопередачу от тепла Q и время оборота t .{6} \ text {J}} {1800 \ text {s}} = 4,64 \ text {кВт} \\ [/ latex].

Обсуждение

Эта скорость передачи тепла равна мощности, потребляемой примерно сорока шестью лампочками мощностью 100 Вт. Вновь построенные дома рассчитаны на время оборота 2 часа или более, а не 30 минут для дома в этом примере. Обычно используются погодоустойчивые уплотнения, уплотнения и улучшенные оконные уплотнения. В очень холодном (или жарком) климате иногда принимаются более крайние меры для достижения жесткого стандарта более 6 часов на один оборот воздуха.Еще более продолжительное время оборота вредно для здоровья, потому что необходимо минимальное количество свежего воздуха для подачи кислорода для дыхания и разбавления бытовых загрязнителей. Термин, используемый для процесса проникновения наружного воздуха в дом из трещин вокруг окон, дверей и фундамента, называется «проникновение воздуха».

Холодный ветер более холодный, чем неподвижный холодный воздух, потому что конвекция в сочетании с проводимостью в теле увеличивает скорость передачи энергии от тела.В таблице ниже приведены приблизительные коэффициенты охлаждения ветром, которые представляют собой температуры неподвижного воздуха, обеспечивающие такую ​​же скорость охлаждения, как и воздух с заданной температурой и скоростью. Факторы охлаждения ветром являются ярким напоминанием о способности конвекции передавать тепло быстрее, чем теплопроводность. Например, ветер со скоростью 15,0 м / с при 0ºC имеет холодный эквивалент неподвижного воздуха при температуре около -18ºC.

Таблица 1. Факторы охлаждения ветром
Температура движущегося воздуха	Скорость ветра (м / с)
(ºC)	2	5	10	15	0
5	3	-1	−8	−10	−12
2	0	−7	−12	−16	−18
0	-2	−9	−15	−18	−20
−5	−7	−15	−22	−26	−29
−10	−12	−21	−29	−34	−36
−20	−23	−34	−44	−50	−52
−10	−12	−21	−29	−34	−36
−20	−23	−34	−44	−50	−52
−40	−44	−59	−73	−82	−84

Хотя воздух может быстро передавать тепло за счет конвекции, он является плохим проводником и, следовательно, хорошим изолятором.Количество доступного пространства для воздушного потока определяет, действует ли воздух как изолятор или проводник. Например, расстояние между внутренней и внешней стенами дома составляет около 9 см (3,5 дюйма) — достаточно для эффективной работы конвекции. Дополнительная изоляция стен предотвращает воздушный поток, поэтому потери (или получение) тепла уменьшаются. Точно так же зазор между двумя стеклами окна с двойным остеклением составляет около 1 см, что предотвращает конвекцию и использует низкую проводимость воздуха для предотвращения больших потерь.Мех, волокна и стекловолокно также используют преимущества низкой проводимости воздуха, удерживая его в пространствах, слишком малых для поддержания конвекции, как показано на рисунке. Мех и перья легкие и поэтому идеально подходят для защиты животных.

Рис. 3. Мех наполнен воздухом, который разбивается на множество маленьких карманов. Конвекция здесь очень медленная, потому что петли такие маленькие. Низкая проводимость воздуха делает мех очень хорошим легким изолятором.

Некоторые интересные явления происходят , когда конвекция сопровождается фазовым переходом .Это позволяет нам охладиться потоотделением, даже если температура окружающего воздуха превышает температуру тела. Тепло от кожи требуется для испарения пота с кожи, но без потока воздуха воздух становится насыщенным и испарение прекращается. Воздушный поток, вызванный конвекцией, заменяет насыщенный воздух сухим, и испарение продолжается.

Пример 2. Расчет потока массы во время конвекции: теплопередача пота от тела

Средний человек в состоянии покоя выделяет тепло мощностью около 120 Вт.С какой скоростью должна испаряться вода из тела, чтобы избавиться от всей этой энергии? (Это испарение может происходить, когда человек сидит в тени и температура окружающей среды такая же, как температура кожи, что исключает передачу тепла другими методами.)

Стратегия

Энергия необходима для изменения фазы ( Q = мл _v ). Таким образом, потери энергии в единицу времени составляют

[латекс] \ displaystyle \ frac {Q} {t} = \ frac {mL _ {\ text {v}}} {t} = 120 \ text {W} = 120 \ text {J / s} \\ [/ латекс].

Разделим обе части уравнения на L _v и найдем, что масса, испарившаяся за единицу времени, равна [латексу] \ frac {m} {t} = \ frac {120 \ text {Дж / с}} { L _ {\ text {v}}} \\ [/ latex].

Решение

Вставьте значение скрытой теплоты из таблицы 1 в раздел «Фазовое изменение и скрытая теплота», L _v = 2430 кДж / кг = 2430 Дж / г. Это дает

[латекс] \ displaystyle \ frac {m} {t} = \ frac {120 \ text {J / s}} {2430 \ text {J / g}} = 0,0494 \ text {g / s} = 2,96 \ text {г / мин} \\ [/ латекс]

Обсуждение

Испарение около 3 г / мин кажется разумным.Это будет около 180 г (около 7 унций) в час. Если воздух очень сухой, пот может испаряться незаметно. Значительное количество испарений также происходит в легких и дыхательных путях.

Рис. 4. Кучевые облака создаются водяным паром, поднимающимся из-за конвекции. Возникновение облаков происходит за счет механизма положительной обратной связи. (кредит: Майк Лав)

Другой важный пример сочетания фазового перехода и конвекции происходит при испарении воды из океанов.При испарении воды тепло уходит из океана. Если водяной пар конденсируется в жидкие капли при образовании облаков, в атмосферу выделяется тепло. Таким образом, происходит общий перенос тепла от океана в атмосферу. Этот процесс является движущей силой грозовых облаков, тех огромных кучевых облаков, которые поднимаются на 20 км в стратосферу. Водяной пар, переносимый конвекцией, конденсируется, выделяя огромное количество энергии. Эта энергия заставляет воздух расширяться и подниматься там, где он холоднее.В этих более холодных регионах происходит больше конденсации, что, в свою очередь, поднимает облако еще выше. Такой механизм называется положительной обратной связью, поскольку процесс усиливается и ускоряется.

Рис. 5. Конвекция, сопровождающаяся изменением фазы, высвобождает энергию, необходимую для того, чтобы загнать этот грозовой поток в стратосферу. (кредит: Херардо Гарсиа Моретти)

Эти системы иногда вызывают сильные штормы с молниями и градом и представляют собой механизм, вызывающий ураганы (рис. 5).

Движение айсбергов (рис. 6) — еще один пример конвекции, сопровождающейся фазовым переходом. Предположим, айсберг дрейфует из Гренландии в более теплые воды Атлантики. Тепло удаляется из теплой океанской воды, когда лед тает, и тепло передается на сушу, когда айсберг формируется на Гренландии.

Рис. 6. Фазовое изменение, которое происходит при таянии этого айсберга, связано с огромной теплопередачей. (кредит: Доминик Алвес)

Проверьте свое понимание

Объясните, почему использование вентилятора летом дает ощущение свежести!

Решение

Использование вентилятора увеличивает поток воздуха: теплый воздух рядом с вашим телом заменяется более холодным воздухом из другого места.Конвекция увеличивает скорость теплопередачи, так что движущийся воздух «кажется» холоднее, чем неподвижный.

Сводка раздела

Конвекция — это передача тепла за счет макроскопического движения массы. Конвекция может быть естественной или принудительной и обычно передает тепловую энергию быстрее, чем теплопроводность. В таблице 1 приведены коэффициенты охлаждения ветром, указывающие на то, что движущийся воздух имеет такой же охлаждающий эффект, как и гораздо более холодный стационарный воздух. Конвекция, возникающая вместе с фазовым переходом, может передавать энергию из холодных областей в теплые.

Концептуальные вопросы

1. Один из способов сделать камин более энергоэффективным — использовать внешний воздух для сжигания топлива. Другой — обеспечить циркуляцию комнатного воздуха вокруг топки и обратно в комнату. Подробно опишите методы теплопередачи, задействованные в каждом из них.
2. Холодными ясными ночами лошади будут спать под покровом больших деревьев. Как это помогает им согреться?

Задачи и упражнения

1. При какой скорости ветра -10ºC воздух вызывает такой же коэффициент охлаждения, как и неподвижный воздух при -29ºC?
2. При какой температуре неподвижный воздух вызывает такой же коэффициент охлаждения, как −5ºC, движущийся со скоростью 15 м / с?
3. «Пар» над чашкой свежеприготовленного растворимого кофе — это на самом деле капли водяного пара, конденсирующиеся после испарения горячего кофе.Какова конечная температура 250 г горячего кофе при начальной температуре 90,0 ° C, если из него испаряется 2,00 г? Кофе находится в чашке из пенополистирола, поэтому другими методами передачи тепла можно пренебречь.
4. (a) Сколько килограммов воды должно испариться женщиной с весом 60,0 кг, чтобы температура ее тела снизилась на 0,750ºC? (b) Достаточно ли это количества воды для испарения в виде потоотделения, если относительная влажность окружающего воздуха низкая?
5. В жаркий засушливый день испарение из озера имеет достаточно теплопередачи, чтобы уравновесить 1.00 кВт / м ² поступающего тепла от Солнца. Какая масса воды испаряется за 1,00 ч с каждого квадратного метра?
6. Однажды зимним днем ​​система климат-контроля в большом университетском здании вышла из строя. В результате каждую минуту вводится 500 м ³ лишнего холодного воздуха. С какой скоростью в киловаттах должна происходить теплопередача, чтобы нагреть этот воздух на 10,0ºC (то есть довести воздух до комнатной температуры)?
7. Вулкан Килауэа на Гавайях — самый активный в мире, извергающий около 5 × 10 ⁵ м ³ лавы с 1200ºC в день.Какова скорость передачи тепла от Земли за счет конвекции, если эта лава имеет плотность 2700 кг / м ³ и в конечном итоге остывает до 30ºC? Предположим, что удельная теплоемкость лавы такая же, как у гранита.

   Рис. 7. Лавовый поток на вулкане Килауэа на Гавайях. (Источник: Дж. П. Итон, Геологическая служба США)

8. Во время тяжелых упражнений тело перекачивает 2,00 л крови в минуту на поверхность, где она охлаждается до 2,00 ° C. Какова скорость теплопередачи только от этой принудительной конвекции, если предположить, что кровь имеет такую ​​же удельную теплоемкость, что и вода, и ее плотность составляет 1050 кг / м ³ ?
9. Человек вдыхает и выдыхает 2.00 л воздуха 37,0ºC, испаряющего 4,00 × 10 ⁻² г воды из легких и дыхательных путей при каждом вдохе. а) Сколько тепла происходит за счет испарения при каждом вдохе? б) Какова скорость теплопередачи в ваттах, если человек дышит со средней скоростью 18,0 вдохов в минуту? (c) Если вдыхаемый воздух имел температуру 20,0 ° C, какова скорость теплопередачи для нагрева воздуха? (г) Обсудите общую скорость теплопередачи, поскольку она соотносится с типичной скоростью метаболизма.Будет ли это дыхание основной формой передачи тепла для этого человека?
10. Стеклянный кофейник имеет круглое дно диаметром 9,00 см, контактирующее с нагревательным элементом, который поддерживает кофе в тепле с постоянной скоростью теплопередачи 50,0 Вт. (A) Какова температура дна кофейника, если он имеет толщину 3,00 мм и внутренняя температура 60,0ºC? (б) Если температура кофе остается постоянной и вся теплопередача устраняется испарением, сколько граммов в минуту испаряется? Принять теплоту испарения 2340 кДж / кг.

Избранные решения проблем и упражнения

1. 10 м / с

3. 85,7ºC

5. 1,48 кг

7. 2 × 10 ⁴ МВт

9. (а) 97,2 Дж; (b) 29,2 Вт; (c) 9,49 Вт; (г) Общая скорость потери тепла составит 29,2 Вт + 9,49 Вт = 38,7 Вт. Во время сна наше тело потребляет 83 Вт энергии, в то время как сидя оно потребляет от 120 до 210 Вт. Следовательно, общая скорость потери тепла от дыхания не будет серьезной формой потери тепла для этого человека.

Как возникает конвекция в нашей атмосфере?

Концепций:

Принципы:

• Погодные явления возникают, когда влажный воздух поднимается в атмосферу и более прохладный воздух выходит из атмосферы.
• Одна из причин подъема воздуха в нашей атмосфере связана с процессом, называемым конвекция.
• Теплый воздух поднимается над холодным за счет конвекции.
• Облака образуются, когда водяной пар конденсируется и молекулы цепляются за каждое из них. Другой.
• Пока происходит конвекция и теплый влажный воздух поднимается вверх, происходит также опускание более плотных и холодных молекул с неба, движущихся вниз.

Факты:

• Конвекция возникает, потому что теплый воздух менее плотный, чем холодный воздух вокруг. он светлее и поднимается или поднимается в атмосфере.
• Признаки конвекции наблюдаются при образовании и росте кучевые облака.
• Мы видим свидетельства опускания более тяжелого и холодного воздуха, падающего в земля, когда небо чистое или без облаков.
• Теплый и влажный воздух поднимается вверх и образует облака в нашем небе.
• В нашей атмосфере все время происходит постоянное уравновешивание. чем влажный, теплый воздух поднимается вверх, а более холодный, более плотный воздух движется вниз. Воздух постоянно движется вверх и вниз, создавая нашу «погоду».

Навыки:

• Следуя указаниям
• Проведение наблюдений
• Делаем выводы
• Делаем выводы
• Формирование обобщений
• Сообщение результатов

---

Материалы

1. Банка большая стеклянная без крышки
2. Маленькая стеклянная банка с крышкой (которая помещается в большую банку)
3. Пластиковые соломинки для питья
4. Темный пищевой краситель
5. Горячая вода в большой емкости для наливания
6. Холодная вода в большой емкости для наливания
7. Молоток и большой гвоздь для проделывания отверстий в крышках маленьких банок
8. Ножницы для разрезания соломки на 2-дюймовые кусочки
9. Линейки
10. Ручка
11. Бумажные полотенца или губка
12. Раздаточный материал

Подготовка помещения

Водные развлечения — это зачастую беспорядок! Каждому ученику (или паре) нужен рабочая зона, в которой можно провести собственный эксперимент.Вода может пролиться, поэтому Удалите все материалы, которые не должны намокать, со столов или столов. Также, приготовьте бумажные полотенца или губку для мытья полов и столешниц.

Меры предосторожности

Если учащиеся используют молоток и гвозди, чтобы проделать два отверстия в крышках своих маленьких банок, ознакомьтесь с правилами безопасности и способами проделывания дырок. Соблюдайте осторожность и проверяйте соображения безопасности, когда ученики наполняют маленькие фляги горячей водой. Напоминать Ученики должны быть осторожны при добавлении пищевых красителей в маленькие баночки.Еда окраска может испачкать одежду.

---

Процедуры и действия

Введение

Что мы видим, когда смотрим в небо? Иногда мы видим массу облака, иногда облака и ясное небо, а иногда ничего, кроме чистое небо везде.

Сегодня мы собираемся провести эксперимент, который поможет нам понять:

1. Что такое конвекция?
2. Как происходит конвекция в нашей атмосфере?
3. Как образуются облака?
4. Что делает небо ясным или безоблачным?

Деятельность

1. Раздайте материалы
   Предоставьте каждому учащемуся или паре большую банку, маленькую банку с крышкой (вы можете уже пробили два отверстия в крышках), пластиковую соломку и ножницы.Если студенты пробивают отверстия в крышке, вам нужно будет дать им молоток и большой гвоздь.
2. Сделайте 2 отверстия в крышках небольших банок или выдвиньте крышки уже с Отверстия
   Покажите учащимся, как осторожно пробивать молотком и большим гвоздем 2 дырочки в крышке маленькой баночки. Эти отверстия должны быть достаточно большими плотно прижать соломинку. Будьте осторожны, чтобы не сделать такие большие отверстия что соломинка проваливается.
3. Разрежьте соломку на две части по 2 дюйма
   Попросите учащихся использовать линейку и ручку, чтобы измерить и пометить соломинку, чтобы получилось две 2-дюймовые куски.Попросите учащихся вырезать отметки. Отложите кусочки соломы.
4. Положите соломку в отверстия крышки
   Учащиеся кладут по кусочку соломки в каждое отверстие. Одна соломинка должна быть поместите так, чтобы примерно на полдюйма было выше верхней части крышки. Другой Кусок соломки должен быть размещен так, чтобы примерно на полдюйма было ниже крышки.
5. Пищевой краситель в маленькой баночке
   Попросите учащихся капнуть несколько капель темного пищевого красителя в маленькую банку.
6. Горячая вода в маленькой банке
   Налейте или попросите учащихся налить горячую воду в маленькую банку, пока она не наполнится.Винт на крышке банки. Убедитесь, что 2 соломинки правильно уложены. Положите маленький банка в сторону.
7. Холодная вода в большой банке
   Налейте или попросите учащихся налить в большую банку холодную воду примерно на 3/4. Напомните учащимся, что они поместят маленькую банку в большую. Перейти по воде смещение — если большая банка наполнена водой, когда мы ставим маленькую банку в холодная вода поднимется и выльется наружу.
8. Поместите маленькую банку с горячей водой в большую банку с холодной водой
   Осторожно поместите маленькую банку в большую.Обязательно холодная вода полностью покрывает верхнюю часть более высокой соломы. Если нет, добавьте немного холодной воды. в большую банку, пока не будут покрыты соломинки.
9. Наблюдения, выводы и формирование обобщений
   Внимательно наблюдайте за происходящим. Где цветная вода из маленькая баночка с горячей водой собирается? Что происходит с цветной водой, когда она достигает вершины маленькой баночки? Что происходит, когда выходит цветная вода из маленькой фляги и в холодную воду из большой фляги?
10. Сообщение результатов
    Попросите учащихся выделить время, чтобы нарисовать и ответить на вопросы, указанные на раздаточный материал.Попросите их поработать в парах или небольших группах, чтобы подготовить резюме что они сделали и что, по их мнению, произошло. Поделитесь, что этот процесс «сообщение результатов»: очень важная часть работы ученого, поэтому она или он может рассказать другим, что они сделали и что, по их мнению, они узнали.

---

Закрытие — исходные вопросы

Спросите еще раз:

1. Что такое конвекция?
2. Как происходит конвекция в нашей атмосфере?
3. Как образуются облака?
4. Что делает небо ясным или безоблачным?

---

Оценка

Попросите учащихся по очереди делиться друг с другом:

• Каковы были наши первоначальные вопросы
• Какой эксперимент мы проводили
• Наши наблюдения и выводы
• И, наконец, наши ответы (выводы и обобщения) на оригинал вопросов

---

Идеи расширения

Попросите учащихся повторить эксперимент, чтобы убедиться, что их наблюдения выводы, обобщения и заключения верны.Поделись этим эксперименты должны быть повторены много раз, чтобы быть уверенным, что результаты истинный. Точно оцените важность следования инструкциям, чтобы не изменить или изменить переменные, которые, в свою очередь, могут изменить результаты эксперимента.

Пусть студенты проводят аналогичные эксперименты, которые целенаправленно изменяют переменные. Например, они могут налить горячую воду в большую банку, а холодную — в маленькая баночка. Пусть они задокументируют, какие материалы и шаги они выполнили, что они наблюдали, и каковы их выводы и выводы.Тогда они могут сравните два эксперимента и результаты, предлагая объяснения сходства или различия в их выводах.

Изучить изображения и анимации, иллюстрирующие конвекцию из лаборатории реактивного движения.

Посмотрите другие занятия из CAPS: Does the Sun Влиять на температуру Земли? Ежедневный журнал погоды, что такое теплопередача ?, и что такое температура?

---

Карьера, связанная с темой урока

• Аэрокосмический инженер
  • Тур — Аэрокосмические лаборатории и аэродинамические трубы
• Любой, кто работает на открытом воздухе
• Эколог
• Инженер-эколог
• Фермер
• Метеоролог
  • Тур, Weather Underground в Мичиганском университете.