konveksiyon - Convection

Bu şekil, Dünya'nın mantosundaki termal konveksiyon için bir hesaplamayı göstermektedir . Kırmızıya yakın renkler sıcak alanlar, maviye yakın renkler sıcak ve soğuk alanlardır. Sıcak, daha az yoğun bir alt sınır tabakası, sıcak malzeme tüylerini yukarıya gönderir ve aynı şekilde, üstten gelen soğuk malzeme aşağı doğru hareket eder.

Konveksiyon , malzeme özelliği heterojenliği ve bir sıvı üzerindeki vücut kuvvetlerinin , en yaygın olarak yoğunluk ve yerçekiminin birleşik etkileri nedeniyle kendiliğinden oluşan tek veya çok fazlı sıvı akışıdır (bkz. kaldırma kuvveti ). Konveksiyonun nedeni belirtilmediğinde, termal genleşme ve kaldırma kuvveti etkilerinden kaynaklanan konveksiyon varsayılabilir. Konveksiyon, yumuşak katılarda veya parçacıkların akabileceği karışımlarda da gerçekleşebilir .

Konvektif Akış olabilir geçici (örneğin, bir zaman olarak çok fazlı karışım, bir yağ ve su ya da ayrıldığı) kararlı durum (bkz Konveksiyon hücre ). Konveksiyon, yerçekimi , elektromanyetik veya hayali vücut kuvvetlerinden kaynaklanabilir. Doğal konveksiyonla ısı transferi , Dünya atmosferinin , okyanuslarının ve mantosunun yapısında rol oynar . Atmosferdeki ayrı konvektif hücreler bulutlar tarafından tanımlanabilir ve daha güçlü konveksiyon fırtınalara neden olur . Doğal konveksiyon ayrıca yıldız fiziğinde de rol oynar . Konveksiyon genellikle konvektif akışa neden olan ana etkiye göre sınıflandırılır veya tanımlanır, örneğin Termal konveksiyon.

Yeni yanan bir Ghillie su ısıtıcısının termal görüntüsü . Konveksiyon akımından kaynaklanan sıcak hava bulutu görülebilir.

Çoğu katıda konveksiyon gerçekleşemez, çünkü ne yığın akım akabilir ne de maddenin önemli difüzyonu gerçekleşemez.

terminoloji

Konveksiyon kelimesinin farklı bilimsel veya mühendislik bağlamlarında veya uygulamalarında farklı ancak ilgili kullanımları vardır. Daha geniş anlamda, konveksiyonun yoğunluk (veya diğer özellik) farkı tarafından yönlendirilen sıvının hareketini ifade ettiği akışkanlar mekaniğidir .

Olarak termodinamik "konveksiyon" çoğu zaman anlamına gelir konveksiyonla ısı transferi sabitlenmiş varyant doğal konveksiyon konvektif ısı transferi (bu yazıda) Taşınımın akışkanlar mekaniği kavramı ayırt etmek için kullanılır.

Bir konvektif hücreninkine yüzeysel olarak benzer bir etki ile sonuçlanan bazı fenomenler de (yanlış bir şekilde) bir konveksiyon şekli olarak ifade edilebilir, örneğin termo-kılcal konveksiyon ve Granüler konveksiyon .

Örnekler ve uygulamalar

Konveksiyon, atmosferlerde , okyanuslarda, gezegen mantolarında büyük ölçekte gerçekleşir ve güneşimizin ve tüm yıldızların en dıştaki iç kısımlarının büyük bir kısmı için ısı transferi mekanizması sağlar. Konveksiyon sırasında sıvı hareketi gözle görülemeyecek kadar yavaş olabilir veya bir kasırgada olduğu gibi bariz ve hızlı olabilir . Astronomik ölçeklerde, karadeliklerin yığılma disklerinde, ışığınkine çok yakın hızlarda gaz ve tozun taşınımının meydana geldiği düşünülmektedir .

Gösteri deneyleri

Sıvılardaki termal konveksiyon, sıvı içeren bir kabın yanına bir ısı kaynağı (örneğin bir Bunsen brülörü ) yerleştirilerek gösterilebilir . Suya bir boya eklenmesi (gıda boyası gibi) akışın görselleştirilmesini sağlayacaktır.

Sıvılarda termal konveksiyonu göstermek için bir başka yaygın deney, boya ile renklendirilmiş sıcak ve soğuk sıvıdan oluşan açık kapların, aynı sıvının boyasız büyük bir kabına, ara bir sıcaklıkta (örneğin, kırmızı renkli bir sıcak musluk suyu kavanozu, bir kavanoz mavi renkli bir buzdolabında soğutulmuş su, oda sıcaklığındaki berrak bir su tankına indirilmiştir).

Üçüncü bir yaklaşım, biri bir renge boyanmış sıcak su ve başka bir renge boyanmış soğuk su ile doldurulmuş iki özdeş kavanoz kullanmaktır. Bir kavanoz daha sonra geçici olarak kapatılır (örneğin bir kart ile), ters çevrilir ve diğerinin üzerine yerleştirilir. Kart çıkarıldığında, daha sıcak sıvı içeren kavanoz üstüne konulursa konveksiyon olmaz. Daha soğuk sıvı içeren kavanoz üstüne konursa, kendiliğinden bir konveksiyon akımı oluşacaktır.

Gazlardaki konveksiyon, bir giriş ve çıkış deliği bulunan kapalı bir alanda bir mum kullanılarak gösterilebilir. Mumdan gelen ısı, sırasıyla giriş ve egzoz alanlarının yakınında başka bir mumdan çıkan duman gibi bir akış göstergesi ile gösterilebilen güçlü bir konveksiyon akımına neden olacaktır.

Çift difüzyonlu konveksiyon

konveksiyon hücreleri

Yerçekimi alanındaki konveksiyon hücreleri

Bénard hücresi olarak da bilinen bir konveksiyon hücresi , birçok konveksiyon sisteminde karakteristik bir sıvı akış modelidir. Yükselen bir sıvı gövdesi, daha soğuk bir yüzeyle karşılaştığı için tipik olarak ısı kaybeder. Sıvıda bu, doğrudan değişim yoluyla daha soğuk sıvı ile ısı alışverişi yaptığı için oluşur. Dünya atmosferi örneğinde bu, ısı yaydığı için oluşur. Bu ısı kaybı nedeniyle sıvı, altındaki sıvıdan daha yoğun hale gelir ve bu sıvı yükselmeye devam eder. Yükselen sıvıdan aşağı inemediği için bir tarafa doğru hareket eder. Belli bir mesafede, aşağı doğru kuvveti altındaki yükselen kuvveti yener ve sıvı alçalmaya başlar. Aşağı indikçe tekrar ısınır ve döngü kendini tekrar eder.

atmosferik konveksiyon

atmosferik sirkülasyon

Dünyadaki küresel dolaşımın idealize edilmiş tasviri

Atmosferik sirkülasyon , havanın büyük ölçekli hareketidir ve termal enerjinin , çok daha yavaş (gecikmeli) okyanus sirkülasyon sistemi ile birlikte Dünya yüzeyine dağıtıldığı bir araçtır . Atmosferik dolaşımın büyük ölçekli yapısı yıldan yıla değişir, ancak temel klimatolojik yapı oldukça sabit kalır.

Enlemsel sirkülasyon, birim alan başına düşen güneş ışınımının ısı ekvatorunda en yüksek olması ve enlem arttıkça kutuplarda minimuma ulaşmasıyla azalması nedeniyle oluşur . Bu iki temel konveksiyon akımlarının oluşur Hadley hücre ve polar girdap ile, Hadley hücre dolayı salınması için güçlü bir konveksiyon karşılaşan latent ısı ile enerji yoğunlaştırma ve su buharı bulutu oluşumu sırasında daha yüksek irtifalarda.

Öte yandan, boyuna sirkülasyon, okyanusun karadan daha yüksek bir özgül ısı kapasitesine (ve ayrıca ısının yüzeyin altına daha fazla nüfuz etmesine izin veren termal iletkenliğe) sahip olması nedeniyle ortaya çıkar ve böylece daha fazla ısı emer ve serbest bırakır , ancak sıcaklık daha az değişir. karadan daha. Bu, gündüz su ile soğutulan hava esintisini karaya getirir ve kara esintisini, yerle temasıyla soğuyan havayı gece boyunca denize taşır. Boyuna sirkülasyon iki hücreden oluşur, Walker sirkülasyonu ve El Nino / Güney Salınımı .

Hava Durumu

Foehn nasıl üretilir?

Küresel atmosferik hareketten daha yerel bazı fenomenler de rüzgar ve hidrolojik döngünün bir kısmı dahil olmak üzere konveksiyondan kaynaklanmaktadır . Örneğin, bir fön rüzgarı , bir dağ silsilesinin rüzgar yönündeki tarafında meydana gelen aşağı eğimli bir rüzgardır. Bu kaynaklanan adyabatik windward yamaçlarda kendi nemin büyük düşmüştür havanın ısınma. Nemli ve kuru havanın farklı adyabatik atlama oranları nedeniyle, rüzgarsız yamaçlardaki hava, rüzgar üstü yamaçlardaki aynı yükseklikteki havadan daha sıcak olur.

Bir termal sütun (veya termal), Dünya atmosferinin daha düşük irtifalarında yükselen havanın dikey bir bölümüdür. Termaller, Dünya yüzeyinin güneş radyasyonundan eşit olmayan şekilde ısıtılmasıyla oluşturulur. Güneş toprağı ısıtır, bu da doğrudan üzerindeki havayı ısıtır. Daha sıcak hava genişler, çevreleyen hava kütlesinden daha az yoğun hale gelir ve bir termal düşük oluşturur . Daha hafif olan hava kütlesi yükselir ve olduğu gibi, daha düşük hava basınçlarında genleşerek soğur. Çevredeki hava ile aynı sıcaklığa soğuduğunda yükselmeyi durdurur. Bir termik ile ilişkili, termik kolonu çevreleyen aşağı doğru bir akıştır. Aşağı doğru hareket eden dış kısım, termiğin tepesinde yer değiştiren soğuk havadan kaynaklanır. Konveksiyona dayalı bir başka hava etkisi de deniz meltemidir .

Bir fırtınanın hayatının aşamaları.

Sıcak hava, soğuk havadan daha düşük yoğunluğa sahiptir, bu nedenle sıcak hava balonlarına benzer şekilde, sıcak hava daha soğuk hava içinde yükselir . Bulutlar, daha soğuk hava içinde nem taşıyan nispeten daha sıcak hava olarak oluşur. Nemli hava yükseldikçe soğur ve yükselen hava paketindeki su buharının bir kısmının yoğunlaşmasına neden olur . Nem yoğunlaştığında, yükselen hava paketinin çevresindeki havadan daha az soğumasını sağlayan ve bulutun yükselişini sürdüren gizli yoğuşma ısısı olarak bilinen enerjiyi serbest bırakır . Atmosferde yeterince kararsızlık varsa , bu süreç şimşek ve gök gürültüsünü destekleyen kümülonimbus bulutlarının oluşması için yeterince uzun sürecektir . Genel olarak, gök gürültülü fırtınaların oluşması için üç koşul gerekir: nem, kararsız bir hava kütlesi ve bir kaldırma kuvveti (ısı).

Türüne bakılmaksızın tüm gök gürültülü fırtınalar üç aşamadan geçer: gelişme aşaması , olgunlaşma aşaması ve dağılma aşaması . Ortalama bir fırtına 24 km (15 mil) çapa sahiptir. Atmosferde mevcut koşullara bağlı olarak, bu üç aşamadan geçmesi ortalama 30 dakika sürer.

okyanus sirkülasyonu

okyanus akıntıları

Güneş radyasyonu okyanusları etkiler: Ekvator'dan gelen ılık su kutuplara doğru dolaşma eğilimi gösterirken , soğuk kutup suyu Ekvator'a doğru yönelir. Yüzey akımları başlangıçta yüzey rüzgar koşulları tarafından belirlenir. Ticaret rüzgarları tropiklerde batıya darbe ve Westerlies orta enlemlerde doğuya darbe. Bu rüzgar modeli , Kuzey Yarımküre'de negatif kıvrılma ve Güney Yarımküre'de bunun tersi ile subtropikal okyanus yüzeyine bir stres uygular . Ortaya çıkan Sverdrup taşıması ekvator yönündedir. Subtropikal sırtın batı çevresinde kutuplara doğru hareket eden rüzgarların neden olduğu potansiyel girdapların korunması ve kutuplara doğru hareket eden suyun artan göreli girdapları nedeniyle, ulaşım, batı sınırı boyunca akan dar, hızlanan kutup yönünde bir akımla dengelenir. okyanus havzası, yüksek enlemlerden kaynaklanan soğuk batı sınır akımı ile sürtünmenin etkilerinden daha ağır basıyor. Batı yoğunlaşması olarak bilinen genel süreç, bir okyanus havzasının batı sınırındaki akıntıların doğu sınırındakilerden daha güçlü olmasına neden olur.

Kutuplara doğru hareket ederken, güçlü ılık su akımıyla taşınan ılık su, buharlaşmalı soğutmaya maruz kalır. Soğutma rüzgarla gerçekleşir: su üzerinde hareket eden rüzgar suyu soğutur ve ayrıca buharlaşmaya neden olarak daha tuzlu bir tuzlu su bırakır. Bu süreçte su daha tuzlu ve yoğun hale gelir. ve sıcaklıkta azalır. Deniz buzu oluştuğunda, tuzlu su hariç tutma olarak bilinen bir süreç olan tuzlar buzun dışında bırakılır. Bu iki işlem, daha yoğun ve daha soğuk su üretir. Kuzey Atlantik okyanusu boyunca su o kadar yoğun hale gelir ki, daha az tuzlu ve daha az yoğun su yoluyla batmaya başlar. (Bu açık okyanus konveksiyonu , bir lav lambasınınkinden farklı değildir .) Ağır, soğuk ve yoğun suyun bu aşağı akımı, güneye giden bir nehir olan Kuzey Atlantik Derin Sularının bir parçası haline gelir .

manto konveksiyonu

Bir okyanus levhası yukarı doğru kabararak eklenir (solda) ve bir yitim bölgesinde (sağda) tüketilir .

Manto konveksiyonu , dünyanın iç kısmından yüzeye ısı taşıyan konveksiyon akımlarının neden olduğu, Dünya'nın kayalık mantosunun yavaş sürünen hareketidir. Tektonik plakaların Dünya yüzeyinde hareket etmesine neden olan 3 itici kuvvetten biridir.

Dünya yüzeyi, sürekli olarak yaratılan ve zıt plaka sınırlarında tüketilen bir dizi tektonik plakaya bölünmüştür . Bir plakanın büyüyen kenarlarına manto eklendiğinde oluşum ( toplanma ) meydana gelir. Bu sıcak eklenen malzeme, ısının iletimi ve konveksiyonu ile soğur. Plakanın tüketim kenarlarında, malzeme termal olarak yoğunlaşmak için büzülür ve bir okyanus çukurunda yitim sürecinde kendi ağırlığı altında batar. Bu batık malzeme, Dünya'nın iç kısmında daha fazla batmasının yasak olduğu bir derinliğe batar. Batık okyanus kabuğu volkanizmayı tetikler.

yığın etkisi

Yığın etkisi ya da baca etkisi içine ve binalar, baca, baca gazı istiflerinden veya kaldırma etkisiyle, diğer konteyner dışında hava hareketidir. Yüzdürme, sıcaklık ve nem farklılıklarından kaynaklanan iç-dış hava yoğunluğu farkı nedeniyle oluşur. Termal fark ve yapının yüksekliği ne kadar büyük olursa, kaldırma kuvveti ve dolayısıyla yığın etkisi o kadar büyük olur. Yığın etkisi, doğal havalandırma ve sızma sağlamaya yardımcı olur. Bazı soğutma kuleleri bu prensibe göre çalışır; benzer şekilde, güneş enerjili yukarı çekiş kulesi , yığın etkisine dayalı olarak elektrik üretmek için önerilen bir cihazdır.

yıldız fiziği

Güneş'in yapısının ve konvektif bölgelerini gösteren kırmızı bir dev yıldızın bir çizimi . Bunlar, bu yıldızların dış katmanlarındaki tanecikli bölgelerdir.

Bir yıldızın konveksiyon bölgesi, enerjinin öncelikle konveksiyon yoluyla taşındığı yarıçap aralığıdır.

Güneş'in fotosferindeki granüller, fotosferdeki plazmanın konveksiyonunun neden olduğu, fotosferdeki konveksiyon hücrelerinin görünür tepeleridir . Granüllerin yükselen kısmı, plazmanın daha sıcak olduğu merkezde bulunur. Granüllerin dış kenarı, daha soğuk inen plazma nedeniyle daha koyudur. Tipik bir granülün çapı 1.000 kilometre civarındadır ve her biri dağılmadan önce 8 ila 20 dakika sürer. Fotosferin altında, 30.000 kilometreye kadar çapa sahip çok daha büyük "süpergranüller" tabakası bulunur ve ömürleri 24 saate kadar çıkar.

mekanizmalar

Konveksiyon, birkaç atomdan daha büyük tüm ölçeklerde sıvılarda meydana gelebilir . Aşağıda açıklanan farklı konveksiyon türlerine yol açan, taşınım için gerekli kuvvetlerin ortaya çıktığı çeşitli durumlar vardır. Geniş anlamda, konveksiyon , yerçekimi gibi akışkan içinde hareket eden vücut kuvvetleri nedeniyle ortaya çıkar .

Doğal konveksiyon

Bu renkli schlieren görüntüsü, insan elinden (silüet halinde) çevredeki durgun atmosfere ısı iletiminden kaynaklanan termal konveksiyonu ortaya koymaktadır .

Doğal konveksiyon veya serbest konveksiyon , sıvının yoğunluğunu ve dolayısıyla nispi kaldırma kuvvetini etkileyen sıcaklık farkları nedeniyle oluşur. Daha ağır (daha yoğun) bileşenler düşerken, daha hafif (daha az yoğun) bileşenler yükselir ve bu da toplu sıvı hareketine yol açar. Bu nedenle, doğal konveksiyon ancak yerçekimi alanında meydana gelebilir. Doğal konveksiyonun yaygın bir örneği, bir yangından dumanın yükselmesidir. Alt tabakadaki sıcak ve daha az yoğun suyun tüyler halinde yukarı doğru hareket ettiği ve tencerenin üst kısmına yakın soğuk ve yoğun suyun da aynı şekilde battığı bir tencere kaynar su içinde görülebilir.

Doğal konveksiyon, iki sıvı arasındaki yoğunlukta daha büyük bir varyasyon, konveksiyonu harekete geçiren yerçekimi nedeniyle daha büyük bir ivme veya konveksiyon ortamından daha büyük bir mesafe ile daha olası ve daha hızlı olacaktır. Doğal konveksiyon, daha hızlı difüzyon (böylece konveksiyona neden olan termal gradyanı dağıtarak) veya daha viskoz (yapışkan) bir sıvı ile daha az olası ve daha az hızlı olacaktır.

Doğal taşınımın başlangıcı Rayleigh sayısı ( Ra ) ile belirlenebilir.

Bir sıvı içindeki kaldırma kuvveti farklılıklarının sıcaklık değişimlerinden başka nedenlerle ortaya çıkabileceğini unutmayın; bu durumda sıvı hareketine yerçekimi konveksiyonu denir (aşağıya bakın). Bununla birlikte, doğal konveksiyon da dahil olmak üzere tüm yüzer konveksiyon türleri, mikro yerçekimi ortamlarında meydana gelmez . Hepsi, g-kuvvetini ( uygun ivme ) deneyimleyen bir ortamın varlığını gerektirir .

Yerçekimi veya yüzer konveksiyon

Yerçekimi taşınımı , sıcaklık dışındaki malzeme özelliklerinden kaynaklanan kaldırma kuvveti değişimlerinin neden olduğu bir tür doğal taşınımdır. Tipik olarak buna sıvının değişken bileşimi neden olur. Değişen özellik bir konsantrasyon gradyanı ise, çözünen konveksiyon olarak bilinir . Örneğin, tuzlu sudaki tatlı suyun kaldırma kuvveti nedeniyle bir kuru tuz kaynağının ıslak toprağa difüzyonunda yerçekimi konveksiyonu görülebilir.

Sudaki değişken tuzluluk ve hava kütlelerindeki değişken su içeriği, okyanuslarda ve atmosferde ısı içermeyen veya termal genleşmeden kaynaklanan yoğunluk değişimlerinden başka ek bileşimsel yoğunluk faktörlerini içeren konveksiyonun sık görülen nedenleridir (bkz. termohalin sirkülasyonu ). Benzer şekilde, henüz maksimum stabiliteye ve minimum enerjiye (diğer bir deyişle, en yoğun kısımlar en derine sahip olan) ulaşmamış olan Dünya'nın içindeki değişken bileşim, Dünya'nın iç kısmındaki akışkan kaya ve erimiş metalin taşınımının bir kısmına neden olmaya devam eder (aşağıya bakınız) .

Yerçekimi konveksiyonu, doğal termal konveksiyon gibi, gerçekleşmesi için bir g-kuvvet ortamı gerektirir .

Buzda katı hal konveksiyonu

Plüton'daki buz konveksiyonunun, yumuşak bir nitrojen buz ve karbon monoksit buz karışımında meydana geldiğine inanılıyor . Europa ve dış güneş sistemindeki diğer cisimler için de önerilmiştir .

termomanyetik konveksiyon

Termomanyetik konveksiyon , değişen manyetik duyarlılığa sahip bir ferrofluid üzerine harici bir manyetik alan uygulandığında meydana gelebilir . Bir sıcaklık gradyanının mevcudiyetinde bu, akışkan hareketine yol açan düzgün olmayan bir manyetik vücut kuvveti ile sonuçlanır. Bir ferroakışkan, bir manyetik alan varlığında güçlü bir şekilde manyetize olan bir sıvıdır .

Yanma

Bir de sıfır yerçekimi ortamında, birçok durumda alevler böylece kendi atık gazlarda yerçekimi boğmak olmadan, hiçbir kaldırma kuvvetleri ve dolayısıyla hiçbir konveksiyon mümkün olamaz. Genleşme ve büzülme gazlarıyla sonuçlanan termal genleşme ve kimyasal reaksiyonlar, atık gazların yerini soğuk, taze, oksijen açısından zengin gaz aldığından alevin havalandırılmasına izin verir. alev-egzoz suyu yoğuştuğunda oluşan düşük basınç bölgelerini almak için harekete geçer.

Konveksiyonun matematiksel modelleri

Arşimet sayısı , Grashof sayısı , Richardson sayısı ve Rayleigh sayısı dahil olmak üzere, konveksiyonu tanımlamak ve tahmin etmek için bir dizi boyutsuz terim türetilmiştir .

Karışık konveksiyon (doğal ve zorlanmış birlikte meydana gelen) durumlarında, genellikle konveksiyonun ne kadarının pompadaki sıvı hızı gibi harici kısıtlamalardan ve ne kadarının sistemde meydana gelen doğal konveksiyondan kaynaklandığını bilmek ister. .

Grashof sayısının göreceli büyüklükleri ve Reynolds sayısının karesi, hangi konveksiyon formunun baskın olduğunu belirler. Eğer , zorlanmış taşınım ihmal edilebilirken, eğer , doğal taşınım ihmal edilebilir. Richardson sayısı olarak bilinen oran yaklaşık bir ise, hem zorlanmış hem de doğal taşınımı hesaba katmak gerekir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar