բնական կոնվեկցիա. Կոնվեկցիայի տեսակները և ինչպես են դրանք տարբերվում

Ջերմային հաղորդունակության գործակիցը սենյակային ջերմաստիճանում:

Տարբեր նյութերի ջերմային հաղորդունակության գործակիցի մեծության կարգը.

ԿոնվեկցիաՍա տիեզերքում ջերմության փոխանցման 2-րդ եղանակն է։

Կոնվեկցիա- սա ջերմության փոխանցում է հեղուկների և գազերի մեջ, որոնք ունեն ջերմաստիճանի անհավասար բաշխում մակրոմասնիկների շարժման պատճառով:

Ջերմության փոխանցումը նյութի մակրոսկոպիկ ծավալների հետ կոչվում է կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցում, կամ պարզապես կոնվեկցիա.

Ջերմային փոխանցում հեղուկ և պինդ մակերեսների միջև: Այս գործընթացը հատուկ անուն ունի. կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցում(ջերմությունը հեղուկից փոխանցվում է մակերեսին կամ հակառակը)

Բայց կոնվեկցիան իր մաքուր ձևով գոյություն չունի, այն միշտ ուղեկցվում է ջերմային հաղորդմամբ, այդպիսի համատեղ ջերմային փոխանցումը կոչվում է. կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցում:

Պինդ մարմնի և հեղուկի մակերևույթի միջև ջերմափոխանակության գործընթացը կոչվում է ջերմության տարածումև մարմնի մակերեսը, որի միջոցով ջերմությունը փոխանցվում է. ջերմության փոխանցման մակերեսը կամ ջերմության փոխանցման մակերեսը.

Ջերմահաղորդումջերմության փոխանցումն է մի հեղուկից մյուսը դրանք բաժանող ամուր պատի միջոցով:

Հեղուկի շարժման տեսակները.Տարբերակել հարկադիր և բնական կոնվեկցիան: Շարժումը կոչվում է հարկադրվածեթե դա տեղի է ունենում արտաքին ուժերի պատճառով, որոնք կապված չեն ջերմության փոխանցման գործընթացի հետ: Օրինակ՝ պոմպի կամ օդափոխիչի միջոցով նրան էներգիա փոխանցելու շնորհիվ։ Շարժումը կոչվում է անվճար, եթե այն որոշվում է ջերմափոխանակման գործընթացով և առաջանում է տաքացվող և սառը հեղուկի մակրոմասնիկների խտությունների տարբերության պատճառով։

Շարժում.ռեժիմներ, հեղուկներ.Հեղուկի շարժումը կարող է լինել կայուն և անկայուն: Հաստատվածկոչվում է այնպիսի շարժում, երբ արագությունը հեղուկի զբաղեցրած տարածության բոլոր կետերում ժամանակի հետ չի փոխվում։ Եթե ​​հոսքի արագությունը փոխվում է ժամանակի ընթացքում (մեծությամբ կամ ուղղությամբ), ապա շարժումը կլինի անցողիկ.

Փորձնականորեն հաստատվել է հեղուկի շարժման երկու եղանակ՝ շերտավոր և տուրբուլենտ: ժամը շերտավոր հոսքՀեղուկի բոլոր մասնիկները շարժվում են զուգահեռ միմյանց և ընդգրկող մակերեսներին: ժամը տուրբուլենտ ռեժիմհեղուկի մասնիկները շարժվում են պատահական, անկանոն: Հոսքի երկայնքով ուղղորդված շարժման հետ մեկտեղ, մասնիկները կարող են շարժվել հոսքի միջով և դեպի հոսք: Այս դեպքում հեղուկի արագությունը շարունակաբար փոխվում է թե՛ մեծությամբ, թե՛ ուղղությամբ։

Լամինար և տուրբուլենտ ռեժիմների ընտրությունն ունի մեծ նշանակություն, քանի որ հեղուկներում ջերմության փոխանցման մեխանիզմը տարբեր կլինի՝ կախված ռեժիմից։ Շերտավոր ռեժիմում հոսքի լայնակի ուղղությամբ ջերմությունը փոխանցվում է միայն ջերմահաղորդմամբ, իսկ հոսքի ուղղությամբ՝ միայն ջերմահաղորդմամբ, իսկ տուրբուլենտում, ի լրումն, տուրբուլենտ հորձանուտների կամ կոնվեկցիայի պատճառով։

Սահմանային շերտի հայեցակարգը.Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ մարմինը լվանող մածուցիկ հեղուկի հոսքի ժամանակ, երբ այն մոտենում է իր մակերեսին, արագությունը նվազում է և նույն մակերեսի վրա դառնում զրոյի: Եզրակացությունը, որ մարմնի մակերեսին ընկած հեղուկի արագությունը զրոյական է, կոչվում է կպչունության վարկած։ Այն ուժի մեջ է այնքան ժամանակ, քանի դեռ հեղուկը կարելի է դիտարկել որպես շարունակական միջավայր։

Թող անսահմանափակ հեղուկի հոսքը շարժվի հարթ մակերևույթի երկայնքով (նկ.): Նրանից հեռու հեղուկի արագությունը հավասար է w0-ի, իսկ բուն մակերեսի վրա, ըստ չսայթաքման վարկածի, հավասար է զրոյի։ Հետեւաբար, մակերեսի մոտ կա սառեցված հեղուկի շերտ, որը կոչվում է դինամիկ սահմանային շերտ, որում արագությունը տատանվում է 0-ից մինչև ...... Քանի որ սահմանային շերտում արագությունը ասիմպտոտիկ մոտենում է w 0-ին, ներկայացվում է դրա հաստության հետևյալ սահմանումը. դինամիկ սահմանային շերտայն մակերեսից հեռավորությունն է, որով արագությունը w0-ից տարբերվում է որոշակի չափով, սովորաբար 1%:

Մակերեւույթի երկայնքով շարժվելիս սահմանային շերտի հաստությունը մեծանում է: Նախ ձևավորվում է շերտավոր սահմանային շերտ, որն աճող հաստությամբ դառնում է անկայուն և փլուզվում՝ վերածվելով տուրբուլենտ սահմանային շերտի։ Սակայն նույնիսկ այստեղ՝ մակերեսի մոտ, պահպանվել է բարակ շերտավոր ենթաշերտ……., որի մեջ հեղուկը շարժվում է շերտավոր։ Նկ. ցույց է տալիս արագության փոփոխությունը լամինար (հատված I) և տուրբուլենտ (հատված II) երկայնքով

Կոնվեկցիա- ջերմության փոխանցում նյութի մասնիկների շարժմամբ. Կոնվեկցիան տեղի է ունենում միայն հեղուկ և գազային նյութերում, ինչպես նաև հեղուկ կամ գազային միջավայրի և պինդ մարմնի մակերեսի միջև։ Այս դեպքում տեղի է ունենում ջերմության և ջերմային հաղորդակցության փոխանցում: Կոնվեկցիայի և ջերմության հաղորդման համակցված ազդեցությունը մակերևույթի մոտ գտնվող սահմանային տարածքում կոչվում է կոնվեկտիվ ջերմափոխանակում:

Շենքի ցանկապատերի արտաքին և ներքին մակերեսների վրա տեղի է ունենում կոնվեկցիա: Կոնվեկցիան էական դեր է խաղում սենյակի ներքին մակերեսների ջերմափոխանակության մեջ: ժամը տարբեր արժեքներմակերեսի և դրան հարող օդի ջերմաստիճանը, տեղի է ունենում ջերմության անցում դեպի ավելի ցածր ջերմաստիճան: Կոնվեկցիայով փոխանցվող ջերմային հոսքը կախված է մակերեսը լվացող հեղուկի կամ գազի շարժման եղանակից, շարժվող միջավայրի ջերմաստիճանից, խտությունից և մածուցիկությունից, մակերեսի կոշտությունից, մակերեսի և շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանների տարբերությունից։ միջին.

Մակերեւույթի և գազի (կամ հեղուկի) միջև ջերմափոխանակության գործընթացը տարբեր կերպ է ընթանում՝ կախված գազի շարժման առաջացման բնույթից։ Տարբերել բնական և հարկադիր կոնվեկցիա.Առաջին դեպքում գազի շարժումը տեղի է ունենում մակերևույթի և գազի միջև ջերմաստիճանի տարբերության պատճառով, երկրորդում ՝ այս գործընթացին արտաքին ուժերի պատճառով (հովհարի աշխատանք, քամի):

Հարկադիր կոնվեկցիան ընդհանուր դեպքում կարող է ուղեկցվել բնական կոնվեկցիայի գործընթացով, բայց քանի որ հարկադիր կոնվեկցիայի ինտենսիվությունը նկատելիորեն գերազանցում է բնական կոնվեկցիայի ինտենսիվությունը, հարկադիր կոնվեկցիան դիտարկելիս բնական կոնվեկցիան հաճախ անտեսվում է:

Ապագայում կդիտարկվեն միայն կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման անշարժ գործընթացները՝ ենթադրելով, որ արագությունը և ջերմաստիճանը ժամանակի ընթացքում հաստատուն են օդի ցանկացած կետում: Բայց քանի որ սենյակի տարրերի ջերմաստիճանը բավականին դանդաղ է փոխվում, անշարժ պայմանների համար ստացված կախվածությունը կարող է տարածվել գործընթացի վրա: սենյակի ոչ ստացիոնար ջերմային պայմանները, որով յուրաքանչյուր դիտարկված պահին ցանկապատերի ներքին մակերեսների վրա կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործընթացը համարվում է անշարժ։ Ստացիոնար պայմանների համար ձեռք բերված կախվածությունները կարող են տարածվել նաև կոնվեկցիայի բնույթի հանկարծակի փոփոխության դեպքում՝ բնականից հարկադիրի, օրինակ, երբ սենյակի ջեռուցման համար վերաշրջանառության սարքը (հովհարային կծիկ կամ պառակտված համակարգ ջերմային պոմպի ռեժիմում) միացված սենյակում. Նախ, արագորեն հաստատվում է օդի շարժման նոր ռեժիմը, և երկրորդը, ջերմության փոխանցման գործընթացի ինժեներական գնահատման պահանջվող ճշգրտությունը ավելի ցածր է, քան հնարավոր անճշտությունները ուղղման բացակայությունից: ջերմային հոսքանցումային վիճակի ժամանակ։

Ջեռուցման և օդափոխության հաշվարկների ինժեներական պրակտիկայի համար կարևոր է կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցումը շենքի ծրարի կամ խողովակի մակերեսի և օդի (կամ հեղուկի) միջև: Գործնական հաշվարկներում կոնվեկտիվ ջերմային հոսքը գնահատելու համար (նկ. 3) օգտագործվում են Նյուտոնի հավասարումները.

Որտեղ q դեպի- ջերմային հոսք, W, փոխանցված կոնվեկցիայի միջոցով շարժվող միջավայրից մակերեսին կամ հակառակը.

թա- պատի մակերեսը լվացող օդի ջերմաստիճանը, o C;

τ - պատի մակերեսի ջերմաստիճանը, o C;

α դեպի- Կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործակիցը պատի մակերեսին, Վտ / մ 2. o C:

Նկ.3 Պատի կոնվեկտիվ ջերմափոխանակություն օդի հետ

Կոնվեկցիոն ջերմային փոխանցման գործակից, ա դեպի - ֆիզիկական քանակություն, թվայինորեն հավասար է օդից պինդ մարմնի մակերևույթ փոխանցվող ջերմության քանակին, որը փոխանցվում է կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման միջոցով օդի ջերմաստիճանի և մարմնի մակերևույթի ջերմաստիճանի միջև հավասար 1 o C տարբերությամբ։

Այս մոտեցմամբ, կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման ֆիզիկական գործընթացի ամբողջ բարդությունը կայանում է ջերմության փոխանցման գործակիցի մեջ, ա դեպի. Բնականաբար, այս գործակցի արժեքը բազմաթիվ փաստարկների ֆունկցիա է։ Գործնական օգտագործման համար ընդունվում են շատ մոտավոր արժեքներ ա դեպի.

Հավասարումը (2.5) կարող է հարմար կերպով վերաշարադրվել հետևյալ կերպ.

Որտեղ Ռ դեպի - դիմադրություն կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցմանըպատող կառուցվածքի մակերեսին, մ 2. o C/W, հավասար է ցանկապատի մակերևույթի ջերմաստիճանի տարբերությանը և օդի ջերմաստիճանին 1 Վտ/մ 2 մակերեսային խտությամբ ջերմային հոսքի անցման ժամանակ: մակերեսը դեպի օդ կամ հակառակը: Դիմադրություն Ռ դեպիկոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործակցի փոխադարձն է ա դեպի.

Եթե ​​ձեր ձեռքը ձգեք տաք վառարանի կամ վառվող էլեկտրական լամպի վրայով, կարող եք զգալ, թե ինչպես են տաք օդի շիթերը բարձրանում այդ առարկաների վերևում: Այրվող մոմի կամ էլեկտրական լամպի վրա կախված թղթի թերթիկը սկսում է պտտվել բարձրացող տաք օդի ազդեցության տակ:

Այս երեւույթը կարելի է բացատրել հետեւյալ կերպ. Օդը շփվում է տաք լամպի հետ, տաքանում, ընդլայնվում և դառնում է ավելի քիչ խիտ, քան շրջապատող սառը օդը: Արքիմեդի ուժը, որը գործում է տաք օդի վրա սառը օդի կողմից ներքևից վերև, գերազանցում է ձգողության ուժը, որը գործում է տաք օդի վրա: Այսպիսով, տաք օդը բարձրանում է, դրանով իսկ տեղը զիջելով սառը օդին։

Նմանատիպ երևույթներ կարող ենք դիտել, երբ հեղուկը տաքացվում է ներքևից։ Հեղուկի տաք շերտերը` ավելի քիչ խիտ և, հետևաբար, ավելի թեթև, տեղափոխվում են դեպի վեր ավելի խիտ և ծանր, սառը շերտերով: Հեղուկի սառը շերտերը, իջնելով ցած, ջեռուցվում են ջերմության աղբյուրով և նորից տեղահանվում ավելի քիչ տաքացած հեղուկով: Այսպիսով, նման շարժումը հավասարապես տաքացնում է ամբողջ ջուրը: Սա ավելի պարզ երևում է, եթե անոթի հատակին կալիումի պերմանգանատի մի քանի բյուրեղ դնեք, որը ներկում է ջուրը: մանուշակագույն. Նման փորձերի ժամանակ մենք կարող ենք դիտարկել ջերմության փոխանցման մեկ այլ տեսակ. կոնվեկցիա(լատիներեն բառ «կոնվեկցիա»- փոխանցում):

Հարկ է նշել, որ կոնվեկցիայի ընթացքում էներգիան շարժվում է հենց գազի կամ հեղուկի շիթերով։ Օրինակ, ջեռուցվող սենյակում կոնվեկցիայի երեւույթի պատճառով տաքացած օդի հոսքը բարձրանում է առաստաղ, իսկ սառը օդը ընկնում է հատակին։ Այսպիսով, վերևում օդը շատ ավելի տաք է, քան հատակին մոտ:

Կոնվեկցիայի երկու տեսակ կա. բնական(կամ այլ կերպ ասած՝ անվճար) և հարկադրված.Սենյակում տաքացնող հեղուկի և օդի օրինակները բնական կոնվեկցիայի օրինակներ են: Մենք կարող ենք դիտել հարկադիր կոնվեկցիա, երբ հեղուկը խառնում ենք գդալով, հարիչով, պոմպով։

Նյութերը, ինչպիսիք են հեղուկները և գազերը, պետք է տաքացվեն ներքևից: Եթե ​​դուք հակառակն եք անում՝ տաքացրեք դրանք վերեւից, կոնվեկցիա չի լինի: Ջերմ շերտերը ֆիզիկապես չեն կարող ընկղմվել սառը, ավելի խիտ և ծանր շերտերի տակ: Այսպիսով, կոնվեկցիայի գործընթացի համար անհրաժեշտ է տաքացնել գազերը և հեղուկները ներքևից:

IN պինդ նյութերկոնվեկցիա չի կարող առաջանալ: Մենք արդեն գիտենք, որ պինդ մարմիններում մասնիկները տատանվում են որոշակի կետի շուրջ, քանի որ նրանք միասին են պահվում փոխադարձ գրավչությամբ: Հետեւաբար, երբ պինդ մարմինները տաքացվում են, դրանցում ոչ մի նյութ չի կարող առաջանալ։ Պինդ մարմիններում էներգիան կարող է փոխանցվել հաղորդման միջոցով:

Բնության մեջ տարածված է կոնվեկցիան՝ ստորին շերտերում երկրագնդի մթնոլորտը, ծովեր, օվկիանոսներ, մեր մոլորակի աղիքներում, Արեգակի վրա (շերտերով մինչև Արեգակի մակերևույթից մինչև 20-30% շառավիղը խորության վրա)։ Կոնվեկցիայի երեւույթի օգնությամբ տարբեր տեխնիկական սարքերում տաքացվում են գազերն ու հեղուկները։

Կոնվեկցիայի պարզ օրինակ կարող է լինել նաև սննդի սառեցումը սառնարանում: Սառնարանի խողովակներով շրջանառվող ֆրեոն գազը սառեցնում է օդի շերտերը սառնարանի վերևում: Սառեցված օդը, իջնելով, սառեցնում է բոլոր ապրանքները, այնուհետև նորից բարձրանում: Երբ սնունդը դնում ենք սառնարանում, մի խանգարեք դրա մեջ օդի շրջանառությանը։ Սառնարանի հետևում գտնվող քերիչը ծառայում է տաք օդի հեռացմանը, որը ձևավորվում է կոմպրեսորում գազի սեղմման ժամանակ։ Վանդակաճաղի հովացման մեխանիզմը նույնպես կոնվեկտիվ է, ուստի սառնարանի հետևում պետք է ազատ տարածություն թողնել, որպեսզի կոնվեկցիան առանց դժվարության տեղի ունենա:

Հարցեր ունե՞ք։ Չգիտե՞ք ինչպես կատարել ձեր տնային աշխատանքը:
Ուսուցիչից օգնություն ստանալու համար -.
Առաջին դասն անվճար է։

blog.site, նյութի ամբողջական կամ մասնակի պատճենմամբ, աղբյուրի հղումը պարտադիր է: