§ 8. Конвекція

Думки вголос

Я зможу пояснити конвекційний теплообмін, який зумовлює велику кількість природних явищ і процесів. Ці знання допоможуть мені на практиці.

Уяви звичайну життєву ситуацію. У людей виникла проблема з обігрівом будинку: у ньому завжди холодно. Будинок опалюють від дров’яного котла, а батареї, якими тече гаряча вода, поставлені аж під стелю. Мещканці цього будинку кажуть, що так їм зручніше.

Чи правильно вони міркують?

Мабуть, той, хто робив опалення в цьому будинку, пас задніх у фізиці й зовсім не знав, як передається тепло в газах.

Вивчатимемо теплообмін в газовому середовищі, звертаючись до дослідів.

Дослід 1. Якщо помістити руку над гарячою плитою або над запаленою свічкою, відчуємо потоки теплого повітря.

Дослід 2. Невелика паперова вертушка, яку закріпили над лампою, під дією струменів нагрітого повітря починає крутитися (мал. 40).

Знання з фізики за 7 клас допоможуть пояснити результат цього досліду. Повітря, що дотикається до нагрітої лампи, теж нагрівається, розширюється і стає легшим за сусідні шари холодного повітря. Сила Архімеда, яка при цьому діє на тепле повітря, більша за силу тяжіння. Внаслідок цього тепле повітря піднімається вгору, а його місце займає холодне повітря.

Подібне явище можна спостерігати і під час нагрівання рідини знизу.

Дослід 3. Посудину з водою ставимо на нагрівач. У воду, щоб зробити картину перемішування холодної і теплої води наочнішою, попередньо кидаємо кілька кристаликів марганцевого калію, який підфарбовує струмені води (мал. 41).

За результатами проведеного досліду зробимо висновки. Нагріті шари рідини менш густі і тому легші. Шари більш холодної рідини витісняють їх вгору. Холодні шари рідини опускаються вниз, знов нагріваються від джерела тепла і витісняються менш нагрітою водою. Через таке перемішування рідина рівномірно нагрівається.

За допомогою QR-коду можна переглянути схожий дослід. Такий вид передачі тепла називають конвекцією (латиною convectio — принесення).

Конвекція — явище перенесення тепла рухомим середовищем, наприклад, струменями повітря, пари або рідин.

Наголосимо, що, на відміну від теплопровідності, перенесення енергії в разі конвекції принципово відбувається за умов перенесення речовини.

Конвекція у газі й рідині, розглянута вище у дослідах, є прикладом природної, або вільної конвекції, оскільки вона відбувалася під дією природних законів і сил в умовах відсутності штучних джерел сил. Якщо такі сили наявні, то конвекцію називають вимушеною.

Таблиця 7

Якщо рідини або гази нагрівають не знизу, а зверху, то конвекція не відбувається. Нагріті шари не зможуть спуститися ниж

че, ніж холодні, які більш важкі. Цей випадок добре ілюструє малюнок 42. Якщо нагрівати воду у верхній частині пробірки, то вона в цьому місці закипить, а внизу можуть залишитися навіть шматочки льоду, адже теплопровідність води низька.

Що стосується мешканців холодного будинку, згадуваних напочатку параграфа, то тепер, мабуть, ти, «озброєний» знаннями про фізику конвекції, порадиш їм переробити опалення, поставивши батареї опалення з гарячою водою біля підлоги, тоді повітря у кімнаті буде рівномірно прогріватися внаслідок перемішування завдяки конвекції. Звичайно радять встановлювати батареї опалення під вікном, тим самим створюють «теплову завісу» в зоні вікна, запобігаючи різкому перепаду температур. На малюнку 43 показано, як у цьому випадку рухаються потоки теплого і холодного повітря.

Приклади конвекції в природі і техніці

Вітри. В атмосфері Землі внаслідок різного нагріву повітря в жарких поясах і полярних областях виникають сильні конвекційні рухи повітря, виникають постійні вітри. Пасати — вітри, які дують від субтропічних областей до екватора. Бризи — вітри, які виникають на берегах морів. Денний бриз — вітри дують з моря на сушу. Нічний бриз — вітер дує із суші на море.

Розглянемо механізм утворення берегового бризу (мал. 44).

Влітку суша прогрівається Сонцем швидше, ніж вода, тому й повітря нагрівається над сушею більше, ніж над морем. Густина повітря над сушею зменшується, внаслідок чого утворюється зона низького тиску. Над морем, де повітря холодніше, утримується підвищений атмосферний тиск. Холодне повітря спрямовується з моря в зону зниженого тиску до берега, виникає вітер, який називають денним бризом (мал. 44, а).

Уночі море охолоджується повільніше, ніж суша, тому над нею повітря стає холоднішим. Тут утворюється зона підвищеного тиску порівняно з морем. Виникає вітер у напрямі від суші до моря, який називають нічним бризом (мал. 44, б).

Тяга — це природний приплив кисню у повітрі для підтримання горіння палива. На заводах, фабриках, електростанціях, в котельнях для створення тяги встановлюють трубу (мал. 45).

Повітря в трубі під час горіння палива в топці нагрівається, його густина зменшується. Тиск повітря у трубі стає меншим, ніж зовні. Внаслідок цієї різниці тисків виникає природна конвекція: холодне повітря надходить у топку, а тепле повітря у трубі піднімається вгору. Що вище труба, то більша різниця тисків повітря у трубі й зовні, тим інтенсивніша тяга, а, отже, і збагачення киснем зони горіння.

Підсумки

•    У газах і рідинах тепло може передаватися шляхом конвекції' — перенесенням енергії разом із речовиною.

•    Для того щоб в рідинах і газах відбувалася конвекція, їх нагрівають знизу.

•    У твердих тілах мікрочастинки утримуються взаємним притяганням у точках рівноваги і дуже рідко їх покидають, тому конвекція відбуватися в них не може. У твердих тілах енергія передається шляхом теплопровідності.

Перевір свої знання

1*. Чому підвал — найхолодніше місце в будинку?

2*. Чому кватирки для провітрювання кімнат розміщують у верхній частині вікна, а батареї для опалення — біля підлоги?

З*. Яким способом охолоджується повітря в кімнаті взимку при відкритій кватирці?

4*. Чому пасати виникають біля екватора?

5**. Запропонуй дослід, що пояснює необхідність високих труб у котельнях.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко