CONVECTIE: KENMERKEN, VOORBEELDEN, TOEPASSINGEN - FYSIEK - 2025

De convectie is een van de drie mechanismen waarmee warmte wordt overgedragen van de ene zone naar de andere warmere koeler. Het vindt plaats door de beweging van de massa van een vloeistof, die een vloeistof of een gas kan zijn. Om dit mechanisme te laten plaatsvinden is in ieder geval altijd een materieel medium nodig.

Hoe sneller de beweging van de vloeistof in kwestie, hoe sneller de overdracht van thermische energie tussen zones met verschillende temperaturen. Dit gebeurt continu met atmosferische luchtmassa's: het drijfvermogen zorgt ervoor dat de warmere en minder dichte exemplaren stijgen terwijl de koudere en dichtere dalen.

Figuur 1. Een kamer wordt gekoeld door de deur te openen, aangezien de hete lucht (rode pijl) en minder dicht hieraan opstijgt en ontsnapt. Bron: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Een voorbeeld hiervan is de gesloten ruimte in de afbeelding, die direct wordt verfrist zodra de deuren of ramen worden geopend, aangezien de warme lucht van binnen zelfs door de kieren ontsnapt en plaats maakt voor de frisse lucht van buiten die meer blijft naar beneden.

Soorten convectie

Natuurlijke en geforceerde convectie

Figuur 2. Voorbeelden van geforceerde convectie en natuurlijke convectie. Bron: Cengel, Y. Thermodynamics.

Convectie kan natuurlijk of geforceerd zijn. In het eerste geval beweegt de vloeistof uit zichzelf, zoals bij het openen van de deur naar de kamer, terwijl het in het tweede geval wordt gedwongen door bijvoorbeeld een ventilator of een pomp.

Verspreiding en advectie

Er kunnen ook twee varianten zijn: diffusie en advectie. Bij diffusie bewegen de moleculen van de vloeistof min of meer willekeurig en is de overdracht van warmte traag.

Advectie daarentegen verplaatst een goede hoeveelheid vloeibare massa, wat kan worden bereikt door bijvoorbeeld convectie met een ventilator te forceren. Maar het voordeel van advectie is dat het veel sneller is dan diffusie.

¿

Een eenvoudig wiskundig model van convectieve warmteoverdracht is de wet van afkoeling van Newton. Beschouw een heet oppervlak van gebied A, omgeven door koelere lucht, zodat het temperatuurverschil klein is.

Laten we de warmteoverdracht Q en tijd t noemen. De snelheid waarmee warmte wordt overgedragen is dQ / dt of afgeleid van de functie Q (t) met betrekking tot tijd.

Omdat warmte thermische energie is, zijn de eenheden in het internationale systeem joules (J), daarom wordt de overdrachtssnelheid uitgedrukt in joules / seconde, wat in watt of watt (W) is.

Deze snelheid is rechtevenredig met het temperatuurverschil tussen het hete object en het medium, aangeduid als ΔT, en ook met het oppervlak A van het object:

De evenredigheidsconstante wordt h genoemd, de coëfficiënt van warmteoverdracht door convectie en wordt experimenteel bepaald. De eenheden in het internationale systeem (SI) zijn W / m ² . K, maar het is gebruikelijk om het te vinden in termen van graden Celsius of Celsius.

Het is belangrijk op te merken dat deze coëfficiënt geen vloeistofeigenschap is, aangezien deze afhangt van verschillende variabelen, zoals de geometrie van het oppervlak, de snelheid van de vloeistof en andere kenmerken.

Door al het bovenstaande te combineren, neemt wiskundig de wet van koeling van Newton deze vorm aan:

Toepassing van de wet van afkoeling van Newton

Een persoon staat midden in een kamer van 20 ° C, waar een licht briesje doorheen waait. Wat is de snelheid van warmte die de persoon door middel van convectie naar de omgeving overbrengt? Stel dat het blootgestelde oppervlak 1,6 m ^{2 is} en de oppervlaktetemperatuur van de huid 29 ºC.

Feit : de convectie-warmteoverdrachtscoëfficiënt is in dit geval 6 W / m ² . ºC

Oplossing

De persoon kan warmte afgeven aan de lucht om hem heen, omdat deze in beweging is wanneer de wind waait. Om de overdrachtssnelheid dQ / dt te vinden, plug je de waarden gewoon in de vergelijking van Newton voor koeling:

dQ / dt = 6 W / m ² . ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W.

Voorbeelden van convectie

Verwarm je handen boven een kampvuur

Het is gebruikelijk om uw handen te verwarmen door ze in de buurt van een kampvuur of hete broodrooster te brengen, omdat de lucht rond de warmtebron op zijn beurt opwarmt en uitzet, en opstijgt omdat deze minder dicht is. Terwijl het circuleert, omhult en verwarmt deze hete lucht uw handen.

Figuur 3. Een manier om uw handen te verwarmen is door de convectiestroom die door het vuur in de lucht wordt opgewekt. Bron: Pxfuel.

Luchtstroom aan de kust

Aan de kust is de zee kouder dan het land, dus de lucht boven het land warmt op en stijgt op, terwijl de koudere lucht arriveert en zich nestelt in de ruimte die deze ander bij het opstijgen heeft achtergelaten.

Dit wordt een convectiecel genoemd en is de reden waarom het koeler aanvoelt als je uitkijkt op zee en de bries op een warme dag tegen je gezicht waait. 'S Nachts gebeurt het tegenovergestelde, de koele bries komt van land.

De Water cyclus

Natuurlijke convectie vindt plaats in de lucht van de oceanische kusten, via de hydrologische cyclus, waarin water wordt verwarmd en verdampt dankzij zonnestraling. De aldus gevormde waterdamp stijgt, koelt af en condenseert tot wolken, waarvan de massa's toenemen en stijgen door convectie.

Door de grootte van de waterdruppels te vergroten, komt er een moment dat het water neerslaat in de vorm van regen, vast of vloeibaar, afhankelijk van de temperatuur.

Kook water in een bakje

Wanneer het water in de ketel of steelpan wordt gedaan, worden eerst de lagen die het dichtst bij de bodem liggen, verwarmd, omdat de vlam of warmte van de brander het dichtst is. Dan zet het water uit en neemt de dichtheid af, daarom stijgt het en neemt het koudere water zijn plaats op de bodem van de container in.

Figuur 4. Waterverwarming door convectie. Bron: wikimedia Commons. Gebruiker: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Op deze manier circuleren alle lagen snel en warmt het hele water op. Dit is een goed voorbeeld van advectie.

Windopwekking

Convectie in luchtmassa's, samen met de rotatiebeweging van de aarde, produceert winden, omdat koude lucht beweegt en circuleert onder hete lucht, waardoor verschillende stromen worden gecreëerd die convectiestromen worden genoemd.

Oceaanstromingen

Water gedraagt ​​zich op dezelfde manier als lucht in de atmosfeer. Warmere wateren zijn bijna altijd aan de oppervlakte, terwijl koelere wateren dieper zijn.

Dynamo-effect

Het komt voor in de gesmolten kern in de planeet, waar het zich combineert met de rotatiebeweging van de aarde en elektrische stromen genereert die het magnetische veld van de aarde veroorzaken.

Overdracht van energie in de sterren

Sterren zoals de zon zijn enorme gasbollen. Convectie is daar een efficiënt energietransportmechanisme, aangezien gasvormige moleculen voldoende bewegingsvrijheid hebben tussen delen van het inwendige van sterren.

Toepassingen van convectie

airconditioners

De airconditioner wordt tegen het plafond van de kamers geplaatst, zodat de gekoelde lucht, die dichter is, naar beneden zakt en dichter bij de vloer afkoelt.

Warmtewisselaars

Het is een apparaat dat de overdracht van warmte van de ene vloeistof naar de andere mogelijk maakt en is het werkingsprincipe van bijvoorbeeld airconditioners en koelmechanismen van de automotor.

Thermische isolatoren in gebouwen

Ze zijn gemaakt door platen isolatiemateriaal te combineren en luchtbellen binnenin toe te voegen.

koeltorens

Ze worden ook wel koeltorens genoemd en dienen om de warmte die wordt geproduceerd door kerncentrales, olieraffinaderijen en andere verschillende industriële installaties af te voeren naar de lucht, in plaats van naar de grond of naar het water.

Referenties

1. Giambattista, A. 2010. Physics. 2e. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. Geleiding, convectie en straling. Hersteld van: eltamiz.com.
3. Natahenao. Warmtetoepassingen. Hersteld van: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Physics for Science and Engineering. Deel 1. 7e. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Convectie. Hersteld van: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Convectie thermiek. Hersteld van: fr.wikipedia.org.