KONVEKSIYON: ÖZELLIKLER, ÖRNEKLER, UYGULAMALAR - FIZIKSEL - 2025

Konveksiyon ısı bir sıcak soğutucu bir bölge aktarılır üç mekanizmalarından biridir. Sıvı veya gaz olabilen bir sıvının kütlesinin hareketi nedeniyle gerçekleşir. Her durumda, bu mekanizmanın gerçekleşmesi için her zaman maddi bir ortam gereklidir.

Söz konusu sıvının hareketi ne kadar hızlı olursa, farklı sıcaklıklara sahip bölgeler arasında termal enerji transferi o kadar hızlı olur. Bu, atmosferik hava kütlelerinde sürekli olarak gerçekleşir: kaldırma kuvveti, daha soğuk ve daha yoğun olanların alçalırken daha sıcak ve daha az yoğun olanların yükselmesini sağlar.

Şekil 1. Sıcak hava (kırmızı ok) yükselip oradan kaçtığı için oda kapı açılarak soğutulur. Kaynak: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Bunun bir örneği, içerideki sıcak hava çatlaklardan bile kaçarak dışarıdan kalan taze havaya yol açtığı için kapılar veya pencereler açılır açılmaz hemen yenilenen görüntüdeki kapalı odadır. aşağı.

Konveksiyon türleri

Doğal ve zorlanmış konveksiyon

Şekil 2. Zorlanmış konveksiyon ve doğal konveksiyon örnekleri. Kaynak: Cengel, Y. Thermodynamics.

Konveksiyon doğal veya zorlamalı olabilir. İlk durumda, sıvı, kapıyı odaya açarken olduğu gibi kendi kendine hareket ederken, ikincisinde, örneğin bir fan veya bir pompa tarafından zorlanır.

Difüzyon ve tavsiye

İki çeşit de olabilir: difüzyon ve öneri. Difüzyonda, sıvının molekülleri az çok rastgele hareket eder ve ısının iletimi yavaştır.

Bunun tersine, yönlendirme, örneğin bir fan ile konveksiyonun zorlanmasıyla elde edilebilen iyi miktarda sıvı kütlesini hareket ettirir. Ancak tavsiyenin avantajı, difüzyondan çok daha hızlı olmasıdır.

¿

Konvektif ısı transferinin basit bir matematiksel modeli, Newton'un soğutma yasasıdır. A bölgesinin daha soğuk havayla çevrili, sıcaklık farkının küçük olacağı sıcak bir yüzeyini düşünün.

Aktarılan ısıya Q ve zaman t diyelim. Isının transfer edildiği hız dQ / dt'dir veya zamana göre Q (t) fonksiyonundan türetilir.

Isı termal enerji olduğu için, Uluslararası Sistemdeki birimleri joule (J) 'dir, bu nedenle transfer hızı joule / saniye cinsinden gelir, yani watt veya watt (W).

Bu oran, T olarak belirtilen sıcak nesne ile ortam arasındaki sıcaklık farkıyla ve ayrıca nesnenin yüzey alanı A ile doğru orantılıdır:

Orantılılık sabiti, konveksiyonla ısı transfer katsayısı olan ve deneysel olarak belirlenen h olarak adlandırılır. Uluslararası Sistem (SI) 'de onun birimleri W / m olan ² . K, ancak bunu Santigrat derece veya santigrat cinsinden bulmak yaygındır.

Yüzeyin geometrisi, sıvının hızı ve diğer özellikler gibi çeşitli değişkenlere bağlı olduğundan, bu katsayının bir akışkan özelliği olmadığına dikkat etmek önemlidir.

Yukarıdakilerin tümü birleştirildiğinde, matematiksel olarak Newton'un soğuma yasası şu biçimi alır:

Newton'un soğutma yasasının uygulanması

Bir kişi 20 ° C'lik bir odanın ortasında duruyor ve içinden hafif bir esinti esiyor. Kişinin konveksiyon ile çevreye ilettiği ısı oranı nedir? Maruz kalan yüzey alanının 1,6 m ² ve cildin yüzey sıcaklığının 29 C olduğunu varsayalım .

Gerçek : bu durumda konveksiyon ısı transferi katsayısı 6 W / m ² . ºC

Çözüm

Kişi, esinti estiğinde hareket halinde olduğu için etrafındaki havaya ısı iletebilir. Aktarım hızı dQ / dt'yi bulmak için, değerleri Newton'un soğutma denklemine koymanız yeterlidir:

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

Konveksiyon örnekleri

Ellerinizi kamp ateşinin üzerinde ısıtın

Ellerinizi bir kamp ateşinin veya sıcak ekmek kızartma makinesinin yakınına getirerek ısıtmanız yaygındır, çünkü ısı kaynağının etrafındaki hava daha az yoğun olduğu için ısınır ve genişler. Dolaştıkça bu sıcak hava ellerinizi sarar ve ısıtır.

Şekil 3. Ellerinizi ısıtmanın bir yolu, havada ateşin oluşturduğu konveksiyon akımıdır. Kaynak: Pxfuel.

Kıyıdaki hava akışı

Kıyıda deniz karadan daha soğuktur, bu nedenle karanın üzerindeki hava ısınır ve yükselirken, yükselirken daha soğuk hava gelip diğerinin bıraktığı boşluğa yerleşir.

Buna konveksiyon hücresi denir ve denize bakarken daha serin hissetmesinin ve sıcak bir günde yüzünüze esen meltemin nedenidir. Geceleri tam tersi olur, serin esinti karadan gelir.

Su döngüsü

Güneş ışınımı sayesinde suyun ısıtıldığı ve buharlaştığı hidrolojik döngü yoluyla okyanus kıyılarının havasında doğal konveksiyon meydana gelir. Bu şekilde oluşan su buharı yükselir, soğur ve yoğunlaşarak bulutlara dönüşür, kütleleri konveksiyonla artar ve yükselir.

Su damlacıklarının boyutunun artırılmasıyla, sıcaklığa bağlı olarak suyun yağmur, katı veya sıvı şeklinde çöktüğü bir zaman gelir.

Suyu bir kapta kaynatın

Su kazan veya tencereye yerleştirildiğinde, brülörden gelen alev veya ısı en yakın olduğu için önce tabana en yakın tabakalar ısıtılır. Daha sonra su genişler ve yoğunluğu azalır, bu nedenle yükselir ve daha soğuk su kabın dibinde yerini alır.

Şekil 4. Konveksiyonla su ısıtma. Kaynak: wikimedia Commons. Kullanıcı: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Bu şekilde tüm katmanlar hızla dolaşır ve tüm su kütlesi ısınır. Bu iyi bir tavsiye örneğidir.

Rüzgar üretimi

Hava kütlelerindeki konveksiyon, dünyanın dönme hareketi ile birlikte, soğuk hava hareket ederken ve sıcak havanın altında dolaşırken, konveksiyon akımları adı verilen çeşitli akımlar yaratırken rüzgar üretir.

okyanus akıntıları

Su, havanın atmosferdeki davranışına benzer şekilde davranır. Daha soğuk sular daha derindeyken, daha sıcak sular neredeyse her zaman yüzeye yakındır.

Dinamo etkisi

Gezegenin içindeki erimiş çekirdekte meydana gelir, burada Dünya'nın dönme hareketi ile birleşir ve Dünya'nın manyetik alanını oluşturan elektrik akımları üretir.

Yıldızların içinde enerji iletimi

Güneş gibi yıldızlar devasa gaz küreleridir. Konveksiyon, burada verimli bir enerji taşıma mekanizmasıdır, çünkü gaz halindeki moleküller yıldızların iç kısımları arasında hareket etmek için yeterli özgürlüğe sahiptir.

Konveksiyon uygulamaları

klimalar

Klima, daha yoğun olan soğutulmuş havanın zemine daha yakın alçalması ve soğuması için odaların tavanına yakın yerleştirilmiştir.

Isı eşanjörleri

Isının bir akışkandan diğerine aktarılmasını sağlayan ve örneğin otomobil motorunun klimalarının ve soğutma mekanizmalarının çalışma prensibini oluşturan bir cihazdır.

Binalarda ısı izolatörleri

Yalıtım malzemesi tabakalarının birleştirilmesi ve içine hava kabarcıkları eklenmesiyle yapılırlar.

soğutma kuleleri

Soğutma kuleleri olarak da adlandırılırlar, nükleer enerji santralleri, petrol rafinerileri ve diğer çeşitli endüstriyel tesisler tarafından üretilen ısının yere veya suya atılması yerine havaya atılmasına hizmet ederler.

Referanslar

1. Giambattista, A. 2010. Fizik. 2. Ed McGraw Hill.
2. Gómez, E. İletim, konveksiyon ve radyasyon. Eltamiz.com adresinden kurtarıldı.
3. Natahenao. Isı uygulamaları. Kurtarıldı: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Bilim ve Mühendislik Fiziği. Cilt 1. 7. Ed. Cengage Learning.
5. Vikipedi. Konveksiyon. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı.
6. Vikipedi. Konveksiyon ısısı. Fr.wikipedia.org adresinden kurtarıldı.