§ 6. Конвекция

Представьте жаркий летний полдень, берег моря. Вода на поверхности теплая, а ее нижние слои — прохладные. от воды веет легкий ветерок. А почему возникает этот ветерок, ведь чуть дальше от берега деревья даже не шелохнутся? и почему нагрелся только верхний слой воды, ведь солнце печет уже достаточно долго? Попробуем ответить на эти и ряд других вопросов.

Наблюдаем конвекцию в жидкостях и газах

Вы уже знаете, что газы и жидкости плохо проводят тепло. А почему же нагревается воздух в комнате от радиаторов водяного отопления? Почему нагревается вода в кастрюле, поставленной на включенную плиту? Почему охлаждается напиток, если в него положить кубик льда? Чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к опытам.

Наполним круглодонную колбу на три четверти водой и закрепим ее в лапке штатива. Стеклянной палочкой положим на дно колбы несколько крупинок акварельной краски и станем нагревать колбу снизу. Через некоторое время со дна колбы начнут подниматься окрашенные струйки воды. Достигнув верхних слоев воды, струйки станут опускаться вдоль более холодных боковых стенок колбы (рис. 6.1); далее процесс повторится. В результате произойдет естественное перемешивание нагретых и ненагретых частей жидкости.

Аналогичный процесс возможен и в газах. Чтобы в этом убедиться, достаточно подержать ладонь над горячей электроплитой или включенной электрической лампой. Восходящие потоки горячего воздуха даже могут вращать легкую вертушку (рис. 6.2).

В приведенных случаях наблюдаем еще один вид теплопередачи — конвекцию.

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа.

Обратите внимание: конвекция не может происходить в твердых телах, поскольку в них не могут возникнуть потоки вещества.

Знакомимся с механизмом конвекции

Выясним причины возникновения естественной конвекции. Для этого мысленно выделим небольшой объем жидкости в сосуде, размещенном над горелкой.

Вы знаете: на любое тело, находящееся внутри жидкости (или газа), действуют сила тяжести и архимедова сила. Те же силы действуют на любой небольшой объем самой жидкости (рис. 6.3). Известно, что при повышении температуры жидкость расширяется, ее плотность уменьшается и архимедова сила, действующая на выделенный объем жидкости, становится больше, чем сила тяжести. В результате нагретая жидкость (имеющая меньшую плотность) всплывает, а холодная жидкость (имеющая большую плотность) опускается.

Аналогичные соображения справедливы и для газов.

Часто естественное перемешивание жидкости или газа невозможно или недостаточно. В таком случае прибегают к искусственному перемешиванию — принудительной конвекции (рис. 6.4). Принудительное перемешивание воздуха осуществляют, например, в космическом корабле (в условиях невесомости, где не действует архимедова сила).

Наблюдаем конвекцию в природе и используем ее в быту

Естественная конвекция имеет очень большое значение в природе и широко применяется человеком.

Из курса географии вы знаете, что одним из факторов, влияющих на климат Земли, являются ветры. При этом одна из основных причин появления ветров на планете — конвекция (рис. 6.5).

Рассмотрим, например, как образуется бриз — ветер, возникающий у берега моря или большого озера. Днем суша прогревается быстрее, чем вода, поэтому температура воздуха над сушей выше, чем над поверхностью воды. Воздух над сушей расширяется, его плотность уменьшается, и он поднимается

вверх. В результате давление над сушей падает и холодный воздух от водоема начинает низом перемещаться к суше — возникает дневной (морской) бриз (рис. 6.6, а).

Попробуйте объяснить, как образуется ночной (береговой) бриз (рис. 6.6, б). (Подсказка: суша остывает быстрее воды.) Из-за неравномерного нагревания воды возникают постоянные течения в морях и океанах. Океанские течения, как и ветры, играют важную роль в формировании климата на нашей планете.

С конвекцией мы имеем дело не только в природе, но и в повседневной жизни. Так, благодаря конвекции происходят обогрев (рис. 6.7) и охлаждение помещений, нагревается борщ в кастрюле. Создание тяги — тоже проявление конвекции (рис. 6.8). Воздух в печи нагревается и расширяется, его плотность уменьшается, и теплый воздух движется вверх, в трубу. В результате давление воздуха вокруг дров и в трубе падает и становится меньше, чем давление в комнате; благодаря этому обогащенный кислородом холодный воздух поступает к дровам.

Подводим итоги

Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа. В твердых веществах этот вид теплопередачи невозможен. Различают естественную и принудительную конвекции.

Естественную конвекцию можно объяснить наличием архимедовой силы и явлением теплового расширения. Теплые слои жидкости или газа движутся вверх (они имеют меньшую плотность), а холодные (большей плотности) — опускаются.

Контрольные вопросы    —

1. Опишите опыт, доказывающий, что при нагревании теплые потоки жидкости поднимаются, а холодные — опускаются. 2. Что такое конвекция? 3. Чем отличается конвекция от теплопроводности? 4. Назовите причины возникновения естественной конвекции. 5. Возможна ли конвекция в веществах, находящихся в твердом состоянии? Поясните свой ответ. 6. Что называют принудительной конвекцией? 7. Приведите примеры проявления конвекции в природе и быту.

Упражнение № 6    .

1.    Почему языки пламени стремятся вверх?

2.    Почему летом вода на глубине реки холоднее, чем на поверхности?

3.    Где лучше поместить сосуд с водой, чтобы быстрее нагреть воду: над нагревателем, под нагревателем или сбоку от него? Где лучше поместить баллон с водой, чтобы быстрее охладить в нем воду с помощью льда: на льду, подо льдом или рядом с ним? Ответы поясните.

4.    Почему не падают облака?

5.    Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, почему град обычно выпадает летом, в жаркий день.

6.    Как вы знаете, наблюдение, гипотеза, эксперимент — основные этапы познания в физических исследованиях. Понаблюдайте за любым простым процессом, например за нагреванием воды или таянием льда. Предложите гипотезу о ходе этого процесса. Проведите соответствующий эксперимент. Подтвердил или опроверг эксперимент вашу гипотезу?

Экспериментальные задания

1.    Зажгите свечу на подставке и исследуйте направление конвекционных потоков вдоль открытых дверей (см. рис. 1). Объясните результаты наблюдений.

2.    Вырежьте из тонкой бумаги прямоугольник, согните его по серединным линиям и снова расправьте. Закрепите на ластике швейную иглу острием вверх и на острие положите подготовленный листок бумаги (см. рис. 2). Осторожно приблизьте раскрытую ладонь к листку — он начнет поворачиваться. Отведите ладонь — листок остановится. Вам остается показать фокус друзьям и объяснить это явление.

(Подсказка: температура ладони не везде одинакова.)