§ 8. Конвекция

вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоками самого вещества (жидкости или газа).

• Слово происходит от латинского «convectio» — перенесение, доставка.
• Главное фундаментальное отличие от теплопроводности: при конвекции обязательно происходит перенос вещества.

• Нижние слои жидкости или газа нагреваются, расширяются, их объём увеличивается при неизменной массе, а следовательно, их плотность уменьшается.
• Под действием выталкивающей архимедовой силы более лёгкие тёплые слои всплывают вверх, а более тяжёлые холодные слои опускаются вниз на их место, создавая непрерывную циркуляцию.

• В твёрдых телах частицы прочно связаны в узлах кристаллической решётки и могут лишь совершать колебания около положений равновесия, поэтому возникновение потоков и струй вещества невозможно.

• Естественная (свободная) конвекция — происходит самопроизвольно за счёт разности плотностей нагретых и холодных слоёв в гравитационном поле (тяга в трубах, образование ветров и бризов, обогрев комнаты радиатором).
• Вынужденная конвекция — перемешивание жидкости или газа внешними механическими устройствами: насосом, мешалкой, вентилятором (фен, кулер компьютера, циркуляционный насос отопления).

Великий древнегреческий математик, механик и физик, основоположник теоретической механики и гидростатики, открывший фундаментальный закон о выталкивающей силе, действующей на погружённые тела и нагретые слои текучей среды.

• Открыл фундаментальный гидростатический закон плавания тел, согласно которому на погружённый в жидкость или газ объём действует направленная вверх выталкивающая сила, равная весу вытесненного им вещества.
• В механизме конвекции сила Архимеда играет определяющую роль: при нагревании жидкость или газ расширяется, их плотность уменьшается, в результате чего выталкивающая сила превышает силу тяжести и поднимает тёплые слои вверх.
• Открытие учёного объясняет циркуляцию жидкостей и газов в природе и технике, работу вытяжной тяги в печах и возникновение морских бризов, а в условиях космической невесомости отсутствие силы Архимеда делает естественную конвекцию невозможной.

Нагревание происходит за счёт естественной конвекции:

• Слой воды, прилегающий к нагреваемому дну колбы, получает тепло путём теплопроводности от горячего стекла, нагревается и расширяется.
• Плотность нагретой воды становится меньше плотности вышележащих холодных слоёв.
• Под действием выталкивающей архимедовой силы тёплые струи воды устремляются вверх к свободной поверхности колбы.
• Их место занимают опускающиеся сверху более плотные холодные слои воды, которые в свою очередь прогреваются у дна. Возникает непрерывный круговорот конвекционных потоков, благодаря чему равномерно прогревается весь объём жидкости в колбе.

Воздух, соприкасающийся с горячей колбой лампы, нагревается и расширяется. Его плотность становится меньше плотности окружающего комнатного воздуха. Архимедова сила выталкивает этот нагретый разреженный воздух вверх, образуя мощный восходящий конвекционный поток. Если над лампой подвесить бумажную спираль или вертушку (рис. 18, б), то восходящие струи воздуха ударяют в её лопасти и приводят вертушку во вращение.

Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия передаётся струями, потоками и слоями самого перемещающегося вещества (жидкости или газа).

Конвекция невозможна в твёрдых телах, потому что частицы твёрдого вещества (атомы, ионы, молекулы) прочно зафиксированы в узлах кристаллической решётки мощными силами межатомного взаимодействия. Они могут лишь совершать малые колебания около фиксированных положений равновесия, поэтому возникновение струй, потоков или перемещения масс вещества в твёрдом теле невозможно.

Примеры:

• Естественная конвекция: обогрев комнат радиаторами отопления, установленными под окнами; образование тяги в дымовых трубах печей и котельных (рис. 20); остывание горячего чая в чашке; образование ветров (дневных и ночных бризов) на побережьях морей и озёр.
• Вынужденная конвекция: охлаждение процессора компьютера с помощью вентилятора (кулера); перемешивание супа ложкой при варке; сушка волос феном; принудительная циркуляция теплоносителя в замкнутой системе отопления дома с помощью электрического циркуляционного насоса.