§ 7. Конвекція

Конвекція. Ви, можливо, звернули увагу, що нагрівальні елементи в електрочайниках розміщені знизу, а вода прогрівається по всьому об’єму. Обігрівальні батареї в будинках встановлюють під вікнами біля підлоги. Як же прогрівається повітря по всій кімнаті?

Річ у тім, що під час передавання теплоти в рідинах і газах поряд із теплопровідністю відбувається ще й конвекція — теплообмінний процес, що су-"роводжується перенесенням речовини.

Конвекція — це вид теплообміну, що відбувається в рідинах і газах і здійснюється внаслідок перенесення речовини.

Механізм конвекції. Розглянемо механізм конвекції на прикладі нагрівання води у скляній колбі. Для більшої наочності руху рідини на дно колби вкинемо кілька крупинок мідного купоросу (мал. 30).

Ви знаєте, що на будь-яке тіло, що міститься всередині рідини (або газу), діє архімедова сила. У нашому випадку таким тілом є невеликий об’єм самої рідини поблизу дна колби. При підвищенні температури об’єм рідини зростає, а густина — зменшується. Тому нагріті шари води розши-

рюються й піднімаються угору під дією архіме-дової сили, виштовхуючись знизу струменями холодної води. Так поступово прогріватимуться й рухатимуться угору ті шари, що перед цим опустилися.

Конвекцією пояснюється теплообмін повітря в кімнаті, що прогрівається батареєю опалення (мал. 31). Унаслідок нагрівання виникає різниця температур між нижніми й верхніми шарами повітря. Струмені теплого повітря будуть виштовхуватися знизу струменями холодного повітря й підніматися вгору під дією архіме-дової сили. Так поступово прогріватиметься й рухатиметься вгору холодне повітря, що перед цим опустилося.

Після ознайомлення із процесами теплообміну й конвекції спробуйте пояснити такий дослід (мал. 32). Візьмемо пробірку з водою та льодом (на лід покладемо металеву гайку, щоб він не спливав). Розташуємо пробірку над полум’ям спиртівки так, як показано на малюнку. Що будемо спостерігати? У верхній частині пробірки кипить вода, а на дні пробірки ще лежить лід!

Як пояснити результати досліду?

По-перше, цей дослід доводить, що вода має невелику теплопровідність. Пригадайте, теплопровідність води у 330 разів менша, ніж у міді, й у 25 разів більша, ніж у повітря.

По-друге, конвекційні процеси відбуваються спрямовано: теплі потоки піднімаються вгору, холодні — опускаються вниз. Тому прогріта згори вода не опускається на дно пробірки й не розтоплює лід.

Конвекція в природі й техніці. Явище конвекції відіграє важливу роль у природі й техніці. Завдяки природній конвекції відбувається постійне перемішування повітряних мас — виникають конвекційні потоки в атмосфері — вітри.

Прикладом конвекції в атмосфері Землі є берегові бризи. Механізм їх утворення пояснюється конвекцією повітряних мас. Удень суша прогрівається Сонцем швидше, ніж вода. Тому повітря над сушею прогрівається сильніше, ніж над морем. Густина повітря над сушею зменшується, утворюється область низького тиску, а над морем утримується область підвищеного тиску. Більш холод-

не повітря інтенсивно рухається з моря в бік зниженого тиску — до берега (дме вітер, який називають денним бризом). Уночі суша охолоджується швидше, ніж море. Над сушею створюється область підвищеного тиску, й охолоджене повітря рухається в бік області зі зниженим тиском — до моря. Так званий нічний бриз дме із суші на море.

Через нерівномірне нагрівання води виникають постійні течії у водах річок, морів, океанів. Океанські течії, як і вітри, відіграють значну роль у формуванні клімату на нашій планеті.

Щоб краще пропікалося тісто в духовій шафі, прогрівалися продукти в мікрохвильовій печі, або охолоджувалися робочі деталі комп’ютера, двигуна автомобіля, використовують вентилятори, які зумовлюють вимушену конвекцію.

Підбиваємо підсумки

Конвекція — це вид теплообміну, що здійснюється шляхом перенесення теплоти струменями рідини або газу.

У твердих тілах такий вид теплообміну неможливий.

Розрізняють природну й вимушену конвекцію.

Природну конвекцію можна пояснити наявністю ар-хімедової сили та явищем теплового розширення. Теплі шари рідини або газу (які мають меншу густину) піднімаються вгору, а холодні (більш густі) — опускаються.

Я знаю, вмію та можу пояснити ⁶