Hvad er fri konvektion?
Fri konvektion, også kendt som naturlig konvektion, er et fænomen, der opstår, når en væske eller gas bevæger sig som et resultat af densitetsændringer, der forekommer inde i det, snarere end som svar på en ekstern bevægelseskilde, såsom en ventilator eller turbin. Naturlig konvektion kan ses overraskende i naturen, hvor den spiller en rolle i en række forskellige naturlige processer, og den kan også ses i menneskestyrede omgivelser, der spænder fra køkkenet til kemisk laboratorium. Dette adskiller sig fra tvungen konvektion, hvor bevægelse tvinges ved bevægelse af en anordning, såsom en ventilator, som det ses i en konvektionsovn.
Naturlig konvektion opstår, når væsker bliver ustabile. Et område bliver varmere end resten, mister densiteten, og det begynder at stige, hvilket skaber en lille strøm. Når den stiger, overføres varmen til den omgivende kølevæske. Strømme og hvirvler vises. I et simpelt eksempel på naturlig konvektion, hvis man dråber varmt vand farvet med madfarvning i en klar glasskål med ufarvet koldt vand, vil det være muligt at spore bevægelsen af det farvede vand, indtil blandingen stabiliserer sig og bevægelsen stopper.
Newtons Cooling Law spiller en kritisk rolle i fri konvektion. I følge Newton kan hastigheden for ændring temperaturmæssigt i en væske betragtes som proportional med forskellen mellem væsken og omgivelserne. Dette påvirker fri konvektion, fordi ændrede temperaturer skaber ustabilitet, hvilket fører til fri konvektion. For eksempel er vejrsystemer stærkt påvirket af bevægelsen af varm og kold luft, der er påvirket af solstråling, kontakt med koldt vand osv.
Cirkulationen af verdens oceaner er en direkte konsekvens af fri konvektion. Når vand bevæger sig mod polerne, afkøles det og bliver tættere og synker ned mod bunden. I mellemtiden opvarmes vand, der bevæger sig mod ækvator, og bliver lettere og stiger til overfladen. Dette skaber en række komplekse strømme i hele havet, der genererer kontinuerlig cirkulation, hvilket holder vandet i havet i konstant bevægelse.
Konvektionsteori forklarer også andre naturlige processer, såsom bevægelse af væsker under jordskorpen. Flytningen af væsker under vores fødder spiller en rolle i en række naturlige processer, hvor disse væsker konstant bevæger sig som et resultat af temperaturændringer inde i Jorden. Konvektionsstrømme kan også krydse hinanden, som det ses i samspillet mellem havet og vejrsystemerne over og nær havet, som er påvirket af temperaturændringer forårsaget af bevægelsen af havstrømme.