Конвекция в физике
Почему горячий воздух поднимается вверх, а воду в чайнике нагревают снизу? Объясним, как возникает конвекция, чем она отличается от теплопроводности и где ее используют на практике
Батарея отопления нагревает воздух рядом с собой, но постепенно тепло распространяется по всей комнате. В кастрюле на плите вода тоже прогревается не только у дна, но и у поверхности. При этом воздух и вода не остаются неподвижными: нагретые слои становятся менее плотными и поднимаются вверх, а их место занимают более холодные. Так возникают потоки, которые переносят тепло от нагретых участков к более холодным. Этот процесс происходит не только в домашних условиях, но и в природе, например при образовании ветров. Такой способ теплопередачи называют конвекцией. Вместе с преподавателем физики Артемом Островским разберем, почему она возникает, какой бывает и где применяется в быту и технике.
Что такое конвекция в физике
Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа. Наряду с теплопроводностью и излучением она относится к трем основным способам теплопередачи. Главное отличие конвекции в том, что вместе с тепловой энергией перемещается и само вещество.
Над включенной конфоркой воздух нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий воздух. Более холодный и плотный воздух вытесняет его вверх. Поднимаясь, нагретый воздух уносит с собой энергию, а его место у плиты занимает более холодный воздух, который тоже начинает нагреваться. Так возникают конвекционные потоки.
Конвекционные потоки перемешивают нагретые и холодные слои жидкости или газа, благодаря чему температура постепенно выравнивается во всем объеме.
Конвекция возможна только в жидкостях и газах, поскольку их слои могут перемещаться относительно друг друга. В твердых телах и вакууме такой способ теплопередачи невозможен.
Конвекция и другие способы теплопередачи рассматриваются в школьных учебниках физики, включенных в Федеральный перечень учебников Министерства просвещения России.1
Полезная информация о конвекции
Конвекция возникает по разным причинам, но возможна только в определенных средах. Основные особенности этого способа теплопередачи собраны в таблице.
| Конвекция | Описание |
|---|---|
| Определение | Вид теплопередачи, при котором тепловая энергия переносится потоками жидкости или газа |
| Где возможна | В жидкостях и газах |
| Где невозможна | В твердых телах и вакууме |
| Причина движения | Разная плотность нагретых и холодных участков среды в поле силы тяжести или внешнее механическое воздействие |
| Виды | Естественная и вынужденная |
| Примеры | Нагрев воды в чайнике, тяга в печной трубе, бризы, работа батарей отопления |
Почему происходит конвекция
Естественная конвекция возникает из-за разницы плотностей нагретых и холодных участков жидкости или газа. В обычных условиях при нагревании вещество расширяется, поэтому его плотность уменьшается. В результате нагретая часть среды становится менее плотной, чем окружающая ее холодная.
На нагретую порцию жидкости или газа со стороны окружающей среды действует выталкивающая, или архимедова, сила. Она равна весу вытесненной среды. Поскольку нагретая порция менее плотная, чем окружающая среда, выталкивающая сила оказывается больше действующей на нее силы тяжести. Поэтому нагретое вещество поднимается вверх, а более холодное и плотное опускается, занимая его место. Так возникают конвекционные потоки.
Для естественной тепловой конвекции необходимы разница температур и действие силы тяжести. При этом важно и расположение нагретых слоев. Если жидкость нагревается снизу, более теплая и менее плотная вода поднимается вверх, а холодная опускается, благодаря чему постепенно прогревается весь объем. Именно поэтому нагревательные элементы в электрических чайниках обычно располагают у дна.
Если же нагревать жидкость сверху, теплый слой остается наверху и естественное конвекционное перемешивание почти не возникает. В таком случае нижние слои прогреваются преимущественно за счет теплопроводности, которая у воды невелика.
Конвекция в жидкостях
Конвекционные потоки в жидкости можно увидеть на простом опыте. В прозрачный термостойкий сосуд с водой добавляют немного пищевого красителя у дна, после чего осторожно нагревают нижнюю часть сосуда. Нагретая окрашенная вода поднимается вверх и растекается у поверхности. Более холодная вода опускается вниз, занимая ее место. Так возникает конвекционный поток, который постепенно перемешивает жидкость.
При нагревании воды в кастрюле конвекция играет основную роль в переносе тепла от дна к поверхности. Вода проводит тепло заметно хуже металлов, поэтому ее верхние слои прогреваются главным образом благодаря движению нагретой жидкости. Обычно чем сильнее нагрев снизу, тем интенсивнее конвекционные потоки.
Конвекция есть и в других жидкостях, например в масле на сковороде или в расплавленном металле.
Конвекция в газах
Конвекция играет важную роль в переносе тепла в газах. Воздух обладает низкой теплопроводностью, поэтому его движение помогает распределять тепло в помещениях и атмосфере.
Над пламенем свечи образуется восходящий поток горячих газов. Они нагревают окружающий воздух, который тоже начинает подниматься вверх. Поэтому непосредственно над свечой поток нагретого воздуха выражен сильнее, чем сбоку.
Конвекцию не следует путать с диффузией. При диффузии вещества перемешиваются за счет хаотического теплового движения частиц, без направленного движения всей среды. Например, запах из кухни распространится по квартире гораздо быстрее, если его подхватят потоки воздуха.
Иногда конвекция приводит к нежелательным потерям тепла. Например, в воздушных полостях нагретый воздух может подниматься вверх, создавая циркуляцию и перенося энергию. Чтобы уменьшить такие потери, в стеклопакетах используют герметичные промежутки между стеклами, а пух и шерсть удерживают воздух в многочисленных мелких полостях. В ограниченном пространстве воздуху труднее перемещаться, поэтому конвекция ослабевает, а тепло сохраняется лучше.
Почему конвекция невозможна в твердых телах
В твердых телах частицы связаны друг с другом и не могут свободно перемещаться по всему объему. Поэтому в них не возникают потоки вещества, способные переносить тепло. Например, если нагреть один конец металлического стержня, тепло постепенно распространится к другому концу благодаря теплопроводности. При этом вещество не перемещается от нагретого конца к холодному, как это происходит при конвекции в жидкостях и газах.
В вакууме конвекции нет по другой причине. Там нет вещества, которое могло бы переносить энергию. Энергия Солнца добирается до Земли излучением.
В расплавленном металле конвекция уже возможна, поскольку в жидком состоянии вещество способно перемещаться потоками.
Виды конвекции
В зависимости от того, что приводит вещество в движение, конвекцию делят на естественную и вынужденную.
Естественная конвекция
Естественная конвекция возникает из-за разницы плотностей нагретых и холодных участков жидкости или газа в поле силы тяжести. Более теплые и менее плотные участки поднимаются вверх, а холодные опускаются. При этом движение вещества происходит без внешнего механического воздействия. Интенсивность естественной конвекции зависит от разницы температур, свойств среды и условий ее движения.
Вынужденная конвекция
Вынужденная конвекция возникает, когда жидкость или газ приводят в движение внешним механическим воздействием, например с помощью насоса или вентилятора. В этом случае движение вещества не обязательно связано с разницей плотностей нагретых и холодных участков. Скорость потока можно регулировать, усиливая или ослабляя перенос тепла.
Естественная и вынужденная конвекция могут происходить одновременно, когда на движение вещества влияют и разница плотностей, и внешнее воздействие.
Примеры конвекции
Конвекция встречается не только при нагревании воды или воздуха в помещении. С ней связаны многие природные явления, а также работа привычных бытовых устройств.
Бриз. Днем суша нагревается быстрее моря, поэтому воздух над ней становится теплее и поднимается вверх. Возникающая разница давлений способствует движению более прохладного воздуха с моря на сушу. Ночью суша остывает быстрее воды, и направление бриза может меняться на противоположное.
Восходящие потоки над землей. Нагретая солнцем поверхность передает тепло прилегающему воздуху, который становится менее плотным и поднимается вверх. Такими восходящими потоками пользуются парящие птицы и планеристы, чтобы набирать высоту без постоянных взмахов крыльев или работы двигателя.
Образование кучевых облаков. Нагретый влажный воздух поднимается вверх, расширяется и постепенно охлаждается. При достаточном охлаждении водяной пар конденсируется, образуя мельчайшие капли воды. Так могут возникать кучевые облака.
Тяга в печной трубе. Нагретые дымовые газы имеют меньшую плотность, чем окружающий воздух, и поднимаются по трубе. Благодаря возникающей тяге в топку поступает свежий воздух, необходимый для поддержания горения.
Духовка с конвекцией. Вентилятор заставляет горячий воздух циркулировать внутри духовки. Благодаря вынужденной конвекции тепло передается продуктам интенсивнее и распределяется более равномерно, что помогает сократить время приготовления многих блюд.
Применение конвекции
Конвекцию используют в различных областях техники для передачи тепла с помощью движущихся жидкостей и газов. В зависимости от задачи движение вещества может возникать естественным образом или создаваться с помощью специальных устройств.
Отопление помещений. Конвекция помогает распределять тепло по зданию. В системах водяного отопления нагретая жидкость переносит энергию от котла к радиаторам, а воздух рядом с нагревательными приборами нагревается и поднимается вверх. Циркуляция воды может быть естественной или принудительной, с использованием насоса.
Вентиляция и кондиционирование. Движение воздуха помогает поддерживать комфортную температуру в помещениях. При естественной вентиляции воздухообмен может возникать из-за разницы температур и плотностей наружного и внутреннего воздуха. В системах принудительной вентиляции и кондиционирования воздушные потоки создают вентиляторы, которые помогают распределять нагретый или охлажденный воздух.
Охлаждение техники. Конвекцию используют для отвода тепла от работающих устройств. Воздух или охлаждающая жидкость перемещаются вдоль нагретых поверхностей, поглощают часть тепловой энергии и переносят ее в окружающую среду. Для усиления теплообмена применяют вентиляторы и насосы.
Промышленное оборудование. Конвекцию используют при нагревании и охлаждении материалов, сушке продукции и работе теплообменных аппаратов. Движение жидкостей и газов позволяет ускорять передачу тепла и регулировать температуру в различных технологических процессах.
Задачи и ответы по теме «Конвекция»
Конвекция помогает объяснить многие явления, связанные с нагреванием и движением жидкостей и газов. Рассмотрим три задачи, в которых нужно применить полученные знания и объяснить особенности конвекционных потоков.
Задача 1
Почему отопительные конвекторы обычно устанавливают ближе к полу, а внутренние блоки кондиционеров, предназначенных для охлаждения воздуха, — ближе к потолку? Объясните с точки зрения конвекции.
Решение и ответ к задаче 1
Воздух, нагретый отопительным конвектором, расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх. Его место занимает более холодный воздух, который тоже нагревается. Так возникает естественная конвекция, благодаря которой тепло постепенно распространяется по помещению.
При охлаждении происходит обратный процесс. Охлажденный воздух имеет большую плотность и стремится опускаться вниз. Поэтому подача холодного воздуха из верхней части комнаты помогает распределять его по помещению. При этом вентилятор кондиционера дополнительно перемешивает воздух, создавая вынужденную конвекцию.
Задача 2
Два одинаковых сосуда наполнены водой одинаковой температуры. Первый сосуд нагревают снизу, а второй — сверху. В каком сосуде вода будет прогреваться более равномерно при одинаковых условиях нагревания? Объясните почему.
Решение и ответ к задаче 2
В первом сосуде нижние слои воды нагреваются, расширяются и становятся менее плотными. Они поднимаются вверх, а более холодная вода опускается ко дну. Возникают конвекционные потоки, которые перемешивают жидкость и помогают распределять тепло по всему объему.
Во втором сосуде нагревается верхний слой воды. Он становится менее плотным, но остается наверху. Такое расположение слоев не способствует естественной конвекции, поэтому нижние слои прогреваются преимущественно за счет теплопроводности.
Задача 3
На космической станции в условиях невесомости работает электрический обогреватель. Будет ли нагретый им воздух самостоятельно подниматься вверх, как это происходит на Земле? Почему для распределения теплого воздуха на станции используют вентиляторы?
Решение и ответ к задаче 3
На Земле нагретый воздух становится менее плотным, чем окружающий, и поднимается под действием архимедовой силы. Так возникает естественная конвекция.
В условиях невесомости привычное движение нагретого воздуха вверх не происходит. Хотя сила тяжести на орбите сохраняется, космическая станция и воздух внутри нее находятся в состоянии свободного падения. Поэтому выталкивающая сила, вызывающая естественную конвекцию на Земле, практически отсутствует.
Однако воздух можно привести в движение принудительно. Вентиляторы создают потоки, которые переносят тепло от нагревателя к другим частям помещения. Это пример вынужденной конвекции.
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Артем Островский, преподаватель курсов программирования и машинного обучения Московского физико-технического института:
Чем конвекция отличается от теплопроводности?
Например, металлическая ложка, опущенная в горячий чай, постепенно нагревается благодаря теплопроводности. А внутри самого напитка тепло может распределяться за счет конвекционных потоков. При этом в жидкостях и газах оба способа теплопередачи могут происходить одновременно.
Возможна ли конвекция в невесомости?
Однако вынужденная конвекция в невесомости возможна. Например, на космических станциях используют вентиляторы, которые перемешивают воздух, помогают распределять тепло и предотвращают скопление углекислого газа в отдельных участках помещения.
Почему тему по физике «Конвекция» изучают в 8 классе?
Конвекция также связана с другими темами восьмого класса, например внутренней энергией и количеством теплоты. Понимание этого явления помогает школьникам объяснять работу отопительных приборов, движение воздуха и воды при нагревании, а также некоторые природные процессы.
Изучение конвекции наряду с другими способами теплопередачи предусмотрено Федеральной рабочей программой по физике для 8 класса.2
В каких заданиях ОГЭ и ЕГЭ по физике встречается конвекция?
В ЕГЭ конвекция рассматривается в разделе «Молекулярная физика и термодинамика» как один из способов теплопередачи. Здесь важно понимать, при каких условиях возникает конвекция и чем она отличается от теплопроводности и излучения. Отдельных расчетных формул для конвекции в рамках этих школьных экзаменационных требований не предусмотрено, поэтому основное внимание уделяется пониманию самого процесса.
Задания по физике и материалы для подготовки к ОГЭ и ЕГЭ представлены в открытых банках заданий и методических материалах Федерального института педагогических измерений.3
5 тем по физике, которые помогут разобраться в тепловых процессах
- Удельная теплоемкость: почему для нагревания разных веществ требуется разное количество теплоты
- Агрегатные состояния вещества: как температура влияет на состояние вещества
- Закон Джоуля — Ленца: почему электрический ток нагревает проводники и как рассчитать количество выделившейся теплоты
- Первый закон термодинамики: как связаны переданное тепло, изменение внутренней энергии и работа, совершаемая газом
- Коэффициент полезного действия (КПД): какая часть затраченной энергии превращается в полезную работу
Источники
Статья подготовлена в соответствии с официальными документами и рекомендациями:
1. Министерство просвещения России. Федеральный перечень учебников. URL: https://fpu.edu.ru/
- Перышкин И. М., Иванов А. И. «Физика. 7 класс. Базовый уровень»,
- Перышкин И. М., Иванов А. И. «Физика. 8 класс. Базовый уровень»,
- Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н. Н. «Физика. 10 класс. Базовый и углубленный уровни»,
- Касьянов В. А. «Физика. 10 класс. Углубленный уровень».
2. Министерство просвещения России. Федеральная рабочая программа по учебному предмету «Физика». URL: https://static.edsoo.ru/projects/fop/index.html#/sections/200222
3. Федеральный институт педагогических измерений. Открытый банк заданий ОГЭ и ЕГЭ по физике, демоверсии и методические материалы. URL: https://fipi.ru/
