Co to jest darmowa konwekcja?

Konwekcja swobodna, znana również jako konwekcja naturalna, jest zjawiskiem, które występuje, gdy płyn lub gaz porusza się w wyniku zmian gęstości, które zachodzą w nim, a nie w odpowiedzi na zewnętrzne źródło ruchu, takie jak wentylator lub turbina. Nic dziwnego, że naturalną konwekcję można zaobserwować w naturze, gdzie odgrywa ona rolę w wielu różnych procesach naturalnych, a także w warunkach kontrolowanych przez człowieka, od kuchni po laboratorium chemiczne. Różni się to od wymuszonej konwekcji, w której ruch jest wymuszony przez ruch urządzenia takiego jak wentylator, jak widać w piecu konwekcyjnym.

Naturalna konwekcja występuje, gdy płyny stają się niestabilne. Jeden obszar staje się cieplejszy niż reszta, traci gęstość i zaczyna rosnąć, tworząc mały prąd. W miarę wzrostu ciepło jest przekazywane do otaczającego płynu chłodniczego. Pojawiają się prądy i wiry. W prostym przykładzie naturalnej konwekcji, jeśli upuści się gorącą wodę barwioną barwnikiem spożywczym do przezroczystej szklanej miski nie barwionej zimnej wody, możliwe będzie prześledzenie ruchu barwionej wody, aż mieszanina ustabilizuje się i ruch zatrzyma się.

Prawo chłodzenia Newtona odgrywa kluczową rolę w swobodnej konwekcji. Według Newtona szybkość zmiany temperatury w płynie można postrzegać jako proporcjonalną do różnicy między płynem a otoczeniem. Wpływa to na swobodną konwekcję, ponieważ zmieniające się temperatury powodują niestabilność, co prowadzi do swobodnej konwekcji. Na przykład na systemy pogodowe duży wpływ ma ruch ciepłego i zimnego powietrza, na który ma wpływ promieniowanie słoneczne, kontakt z zimną wodą i tak dalej.

Obieg oceanów na świecie jest bezpośrednią konsekwencją wolnej konwekcji. Gdy woda przesuwa się w kierunku biegunów, ochładza się i gęstnieje, opadając w kierunku dna. Tymczasem woda przemieszczająca się w kierunku równika rozgrzewa się i staje się lżejsza, podnosząc się na powierzchnię. Stwarza to szereg złożonych prądów w całym oceanie, które generują ciągłą cyrkulację, utrzymując wodę w oceanie w ciągłym ruchu.

Teoria konwekcji wyjaśnia również inne naturalne procesy, takie jak ruchy cieczy pod skorupą ziemską. Przesuwanie się cieczy pod naszymi stopami odgrywa rolę w szeregu naturalnych procesów, przy czym płyny te stale poruszają się w wyniku zmian temperatury wewnątrz Ziemi. Prądy konwekcyjne mogą również przecinać się ze sobą, co widać w interakcji między oceanem i systemami pogodowymi nad i blisko oceanu, na które wpływ mają zmiany temperatury spowodowane ruchem prądów oceanicznych.