Pokud přiblížíte ruku k rozsvícené elektrické lampě nebo položíte dlaň na rozpálená kamna, ucítíte pohyb proudů teplého vzduchu. Stejný efekt lze pozorovat, když list papíru osciluje nad otevřeným plamenem. Oba efekty jsou vysvětleny konvekcí.
Co to je?
Jev konvekce je založen na expanzi chladnější látky v kontaktu s horkými hmotami. Za těchto okolností ohřátá látka ztrácí svou hustotu a stává se lehčí ve srovnání s chladným prostorem, který ji obklopuje. Nejpřesněji tato charakteristika jevu odpovídá pohybu tepelných toků při ohřívání vody.
Pohyb molekul v opačných směrech vlivem zahřívání je přesně to, na čem je založena konvekce. Záření a tepelná vodivost jsou podobné procesy, ale týkají se především přenosu tepelné energie v pevných látkách.
Živé příklady konvekce - pohyb teplého vzduchu uprostřed místnosti s vytápěnímspotřebičů, kdy se ohřáté proudy pohybují pod stropem a studený vzduch klesá k samotnému povrchu podlahy. To je důvod, proč je při zapnutém topení vzduch v horní části místnosti znatelně teplejší než ve spodní části místnosti.
Archimedův zákon a tepelná roztažnost fyzických těl
Abychom pochopili, co je to přirozená konvekce, stačí uvažovat o procesu na příkladu Archimedova zákona a fenoménu rozpínání těles pod vlivem tepelného záření. Takže podle zákona zvýšení teploty nutně vede ke zvýšení objemu kapaliny. Kapalina ohřátá zespodu v nádobách stoupá výše a vlhkost o vyšší hustotě se pohybuje níže. V případě ohřevu shora zůstanou na svých místech stále méně husté kapaliny, v takovém případě k jevu nedojde.
Vznik konceptu
Pojem „konvekce“poprvé navrhl anglický vědec William Prout již v roce 1834. Bylo použito k popisu pohybu tepelných hmot v zahřátých, pohybujících se kapalinách.
První teoretické studie fenoménu konvekce začaly teprve v roce 1916. Během experimentů bylo zjištěno, že přechod od difúze ke konvekci u kapalin ohřívaných zdola nastává při dosažení určitých kritických teplotních hodnot. Později byla tato hodnota definována jako „Roelovo číslo“. Byla tak pojmenována po badateli, který ji studoval. Výsledky experimentů umožnily vysvětlit pohyb tepelných toků pod vlivem Archimedových sil.
Typy konvekce
Existuje několik typů jevu, který popisujeme – přirozená a nucená konvekce. Příklad pohybu proudění horkého a studeného vzduchu uprostřed místnosti nejlépe charakterizuje proces přirozené konvekce. Pokud jde o nucený provoz, lze jej pozorovat při míchání kapaliny lžící, čerpadlem nebo míchadlem.
Při zahřívání pevných látek není konvekce možná. To je způsobeno poměrně silnou vzájemnou přitažlivostí během vibrací jejich pevných částic. V důsledku zahřívání těles pevné konstrukce nedochází ke konvekci a sálání. Tepelná vodivost nahrazuje tyto jevy v takových tělesech a přispívá k přenosu tepelné energie.
Samostatným typem je takzvaná kapilární konvekce. Proces nastává, když se během pohybu tekutiny potrubím mění teplota. V přirozených podmínkách je význam takové konvekce spolu s přirozenou a nucenou konvekcí extrémně nevýznamný. V kosmické technice se však velmi významnými faktory stávají kapilární konvekce, záření a tepelná vodivost materiálů. I ty nejslabší konvektivní pohyby v podmínkách beztíže znesnadňují provádění některých technických úkolů.
Konvekce ve vrstvách zemské kůry
Konvekční procesy jsou neoddělitelně spjaty s přirozenou tvorbou plynných látek v tloušťce zemské kůry. Glóbus lze považovat za kouli skládající se z několika soustředných vrstev. V samém středu je masivní horké jádro, což je tekutá hmota s vysokou hustotou obsahující železo,nikl, stejně jako další kovy.
Vrstvy obklopující zemské jádro tvoří litosféra a polotekutý plášť. Vrchní vrstva zeměkoule je přímo zemská kůra. Litosféra je tvořena z jednotlivých desek, které jsou ve volném pohybu a pohybují se po povrchu kapalného pláště. Při nerovnoměrném ohřevu různých částí pláště a hornin, které se liší různým složením a hustotou, vznikají konvektivní proudění. Právě pod vlivem takových toků dochází k přirozené přeměně oceánského dna a pohybu nosných kontinentů.
Rozdíly mezi konvekcí a vedením tepla
Tepelná vodivost by měla být chápána jako schopnost fyzických těles přenášet teplo pohybem atomových a molekulárních sloučenin. Kovy jsou vynikajícími vodiči tepla, protože jejich molekuly jsou ve vzájemném těsném kontaktu. Naopak plynné a těkavé látky působí jako špatné vodiče tepla.
Jak dochází ke konvekci? Fyzika procesu je založena na přenosu tepla v důsledku volného pohybu hmoty molekul látek. Tepelná vodivost zase spočívá výhradně v přenosu energie mezi částicemi tvořícími fyzické tělo. Oba procesy jsou však nemožné bez přítomnosti částic hmoty.
Příklady jevu
Nejjednodušším a nejsrozumitelnějším příkladem konvekce je proces běžné lednice. Oběhochlazený freonový plyn potrubím chladicí komory vede ke snížení teploty horních vrstev vzduchu. V souladu s tím, jsou nahrazeny teplejšími proudy, studené klesají dolů, čímž se produkty ochlazují.
Rošt umístěný na zadním panelu chladničky plní roli prvku, který usnadňuje odvod teplého vzduchu vznikajícího v kompresoru jednotky při kompresi plynu. Chlazení mřížky je také založeno na konvekčních mechanismech. Právě z tohoto důvodu se nedoporučuje zaneřádit prostor za lednicí. Ostatně pouze v tomto případě může dojít k ochlazení bez potíží.
Další příklady konvekce lze vidět pozorováním takového přírodního jevu, jako je pohyb větru. Při oteplování nad vyprahlými kontinenty a ochlazování nad drsnějším terénem se vzdušné proudy začnou vzájemně vytlačovat, což způsobí jejich pohyb a také přesun vlhkosti a energie.
Možnost plachtění ptáků a kluzáků je vázána na konvekci. Méně husté a teplejší vzduchové hmoty s nerovnoměrným ohřevem v blízkosti zemského povrchu vedou ke vzniku vzestupných proudů, což přispívá k procesu plachtění. K překonání maximálních vzdáleností bez vynaložení síly a energie potřebují ptáci schopnost takové toky najít.
Dobrými příklady konvekce jsou tvorba kouře v komínech a sopečných kráterech. Pohyb kouře vzhůru je založen na jeho vyšší teplotě a nižší hustotě ve srovnání s okolím. Jak se kouř ochlazuje, postupně se usazuje do spodních vrstev atmosféry. Přesně z tohoto důvoduprůmyslová potrubí, kterými se do atmosféry uvolňují škodlivé látky, jsou vyrobena co nejvýše.
Nejběžnější příklady konvekce v přírodě a technologii
Mezi nejjednodušší, snadno srozumitelné příklady, které lze pozorovat v přírodě, každodenním životě a technice, bychom měli vyzdvihnout:
- průtok vzduchu během provozu domácích topných baterií;
- vznik a pohyb mraků;
- proces pohybu větru, monzunů a vánků;
- posun tektonických zemských desek;
- procesy, které vedou k volné tvorbě plynu.
Vaření
V moderních domácích spotřebičích, zejména v troubách, se stále více projevuje fenomén konvekce. Plynová skříň s konvekcí umožňuje vařit různá jídla současně na samostatných úrovních při různých teplotách. Tím se zcela eliminuje míchání chutí a vůní.
Tradiční trouba se ohřívá vzduch pomocí jediného hořáku, což má za následek nerovnoměrné rozložení tepla. Díky cílenému pohybu proudů horkého vzduchu pomocí specializovaného ventilátoru jsou pokrmy v konvektomatu šťavnatější a lépe propečené. Taková zařízení se zahřívají rychleji, což zkracuje dobu potřebnou k vaření.
Samozřejmě pro ženy v domácnosti, které vaří v troubě jen párkrát do roka, domácí spotřebič sfunkci konvekce nelze nazvat technikou první nutnosti. Pro ty, kteří nemohou žít bez kulinářských experimentů, se však takové zařízení stane v kuchyni prostě nepostradatelným.
Doufáme, že předložený materiál byl pro vás užitečný. Hodně štěstí!
