konveksi alami. Jenis konveksi, dan perbedaannya

Koefisien konduktivitas termal pada suhu kamar.

Urutan besarnya koefisien konduktivitas termal untuk berbagai zat.

Konveksi Ini adalah cara kedua perpindahan panas di ruang angkasa.

Konveksi- ini adalah perpindahan panas dalam cairan dan gas dengan distribusi suhu yang tidak merata karena pergerakan partikel makro.

Perpindahan panas bersama dengan volume makroskopik materi disebut perpindahan panas konveksi, atau sederhananya konveksi.

Perpindahan panas antara permukaan cair dan padat. Proses ini memiliki nama khusus. perpindahan panas konveksi(panas dipindahkan dari cairan ke permukaan atau sebaliknya)

Tetapi konveksi dalam bentuknya yang murni tidak ada; selalu disertai dengan konduksi panas, perpindahan panas bersama seperti itu disebut perpindahan panas konveksi.

Proses pertukaran panas antara permukaan benda padat dan cairan disebut disipasi panas, dan permukaan tubuh tempat perpindahan panas - permukaan perpindahan panas atau permukaan perpindahan panas.

Perpindahan panas adalah perpindahan panas dari satu fluida ke fluida lain melalui dinding padat yang memisahkannya.

Jenis-jenis gerakan fluida. Bedakan antara konveksi paksa dan konveksi alami. Gerakan tersebut disebut dipaksa jika itu terjadi karena kekuatan eksternal yang tidak terkait dengan proses perpindahan panas. Misalnya, karena komunikasi energi dengan pompa atau kipas. Gerakan tersebut disebut Gratis, jika ditentukan oleh proses perpindahan panas dan terjadi karena perbedaan densitas makropartikel fluida panas dan dingin.

Gerakan.mode, cairan. Pergerakan fluida dapat bersifat ajeg dan goyah. mapan disebut gerakan di mana kecepatan di semua titik dalam ruang yang ditempati oleh fluida tidak berubah terhadap waktu. Jika kecepatan aliran berubah terhadap waktu (dalam besaran atau arah), maka gerakannya adalah sementara.

Secara eksperimental menetapkan dua mode gerakan fluida: laminar dan turbulen. Pada aliran laminar semua partikel fluida bergerak sejajar satu sama lain dan ke permukaan penutup. Pada mode turbulen partikel cairan bergerak secara acak, tidak teratur. Seiring dengan gerakan terarah sepanjang aliran, partikel dapat bergerak melintasi dan menuju aliran. Dalam hal ini, kecepatan cairan terus berubah baik dalam besaran maupun arahnya.

Pemilihan rezim laminar dan turbulen memiliki sangat penting, karena mekanisme perpindahan panas dalam cairan akan berbeda tergantung pada mode. Dalam rezim laminar, panas dalam arah melintang aliran hanya ditransfer oleh konduksi panas, dan dalam arah aliran itu ditransfer hanya dengan konduksi panas, dan turbulen, di samping itu, karena vortisitas turbulen, atau konveksi.

Konsep lapisan batas. Penelitian telah menunjukkan bahwa dalam aliran cairan kental yang mencuci tubuh, saat mendekati permukaannya, kecepatannya berkurang dan menjadi sama dengan nol di permukaan itu sendiri. Kesimpulan bahwa kecepatan fluida yang berada di permukaan benda adalah nol disebut hipotesis penempelan. Ini berlaku selama cairan dapat dianggap sebagai media kontinu.

Biarkan aliran fluida tak terbatas bergerak sepanjang permukaan datar (Gbr.). Kecepatan fluida jauh dari itu sama dengan w0, dan di permukaan itu sendiri, menurut hipotesis tanpa slip, itu sama dengan nol. Oleh karena itu, di dekat permukaan ada lapisan cairan beku yang disebut lapisan batas dinamis, di mana kecepatan bervariasi dari 0 hingga ...... Karena kecepatan di lapisan batas mendekati w 0 secara asimtotik, definisi ketebalan berikut diperkenalkan: ketebalan lapisan batas dinamis adalah jarak dari permukaan di mana kecepatan berbeda dari w0 dengan jumlah tertentu, biasanya 1%.

Saat seseorang bergerak di sepanjang permukaan, ketebalan lapisan batas meningkat. Pertama, lapisan batas laminar terbentuk, yang menjadi tidak stabil dengan meningkatnya ketebalan dan runtuh, berubah menjadi lapisan batas turbulen. Namun, bahkan di sini, di dekat permukaan, sublapisan laminar tipis dipertahankan ……., di mana cairan bergerak secara laminar. pada gambar. menunjukkan perubahan kecepatan dalam laminar (bagian I) dan turbulen (bagian II) sepanjang

Konveksi- perpindahan panas dengan memindahkan partikel materi. Konveksi hanya terjadi dalam zat cair dan gas, serta antara media cair atau gas dan permukaan benda padat. Dalam hal ini, terjadi perpindahan panas dan konduktivitas termal. Efek gabungan dari konveksi dan konduksi panas di daerah batas dekat permukaan disebut perpindahan panas konveksi.

Konveksi terjadi pada permukaan luar dan dalam pagar bangunan. Konveksi memainkan peran penting dalam pertukaran panas permukaan internal ruangan. Pada nilai yang berbeda suhu permukaan dan udara yang berdekatan dengannya, terjadi transisi panas menuju suhu yang lebih rendah. Fluks panas yang ditransmisikan oleh konveksi tergantung pada mode gerakan cairan atau gas yang mencuci permukaan, pada suhu, kepadatan dan viskositas media yang bergerak, pada kekasaran permukaan, pada perbedaan antara suhu permukaan dan sekitarnya. sedang.

Proses pertukaran panas antara permukaan dan gas (atau cairan) berlangsung secara berbeda tergantung pada sifat terjadinya gerakan gas. Membedakan konveksi alami dan paksa. Dalam kasus pertama, pergerakan gas terjadi karena perbedaan suhu antara permukaan dan gas, yang kedua - karena kekuatan eksternal untuk proses ini (operasi kipas, angin).

Konveksi paksa dalam kasus umum dapat disertai dengan proses konveksi alami, tetapi karena intensitas konveksi paksa secara nyata melebihi intensitas konveksi alami, ketika mempertimbangkan konveksi paksa, konveksi alami sering diabaikan.

Di masa depan, hanya proses perpindahan panas konveksi stasioner yang akan dipertimbangkan, dengan asumsi bahwa kecepatan dan suhu konstan dalam waktu di setiap titik di udara. Tetapi karena suhu elemen-elemen ruangan berubah agak lambat, ketergantungan yang diperoleh untuk kondisi stasioner dapat diperluas ke proses kondisi termal ruangan yang tidak stasioner, di mana pada setiap momen yang dipertimbangkan, proses perpindahan panas konveksi pada permukaan bagian dalam pagar dianggap stasioner. Ketergantungan yang diperoleh untuk kondisi stasioner juga dapat diperluas untuk kasus perubahan mendadak dalam sifat konveksi dari alami menjadi paksa, misalnya, ketika perangkat resirkulasi untuk memanaskan ruangan (koil kipas atau sistem split dalam mode pompa panas) adalah dinyalakan di sebuah ruangan. Pertama, mode pergerakan udara baru dibuat dengan cepat dan, kedua, akurasi yang diperlukan dari penilaian teknik dari proses perpindahan panas lebih rendah daripada kemungkinan ketidakakuratan karena kurangnya koreksi. aliran panas selama keadaan transisi.

Untuk praktek rekayasa perhitungan untuk pemanasan dan ventilasi, perpindahan panas konvektif antara permukaan selubung bangunan atau pipa dan udara (atau cairan) adalah penting. Dalam perhitungan praktis, untuk memperkirakan fluks panas konvektif (Gbr. 3), persamaan Newton digunakan:

di mana q ke- fluks panas, W, ditransfer secara konveksi dari media bergerak ke permukaan atau sebaliknya;

ta- suhu udara yang mencuci permukaan dinding, o C;

τ - suhu permukaan dinding, o C;

ke- koefisien perpindahan panas konveksi pada permukaan dinding, W / m 2. o C.

Gbr.3 Pertukaran panas konvektif dinding dengan udara

Koefisien perpindahan panas konveksi, sebuah untuk - kuantitas fisik, secara numerik sama dengan jumlah panas yang dipindahkan dari udara ke permukaan benda padat melalui perpindahan panas konvektif pada perbedaan antara suhu udara dan suhu permukaan tubuh yang sama dengan 1 o C.

Dengan pendekatan ini, seluruh kompleksitas proses fisik perpindahan panas konveksi terletak pada koefisien perpindahan panas, sebuah untuk. Secara alami, nilai koefisien ini adalah fungsi dari banyak argumen. Untuk penggunaan praktis, nilai yang sangat mendekati diterima sebuah untuk.

Persamaan (2.5) dapat dengan mudah ditulis ulang sebagai:

di mana R ke - resistensi terhadap perpindahan panas konveksi pada permukaan struktur penutup, m 2. o C / W, sama dengan perbedaan suhu pada permukaan pagar dan suhu udara selama aliran fluks panas dengan kerapatan permukaan 1 W / m 2 dari permukaan ke udara atau sebaliknya. Perlawanan R ke adalah kebalikan dari koefisien perpindahan panas konveksi sebuah untuk.

Jika Anda mengulurkan tangan Anda di atas kompor panas atau di atas bola lampu listrik yang menyala, Anda dapat merasakan bagaimana pancaran udara hangat naik di atas benda-benda ini. Selembar kertas yang digantung di atas lilin yang menyala atau bola lampu listrik mulai berputar di bawah pengaruh udara hangat yang naik.

Fenomena tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. Udara bersentuhan dengan lampu panas, memanas, mengembang dan menjadi kurang padat daripada udara dingin di sekitarnya. Gaya Archimedes, yang bekerja pada udara hangat dari sisi udara dingin dari bawah ke atas, melebihi gaya gravitasi, yang bekerja pada udara hangat. Dengan demikian, udara hangat naik, sehingga memberi jalan ke udara dingin.

Kita dapat mengamati fenomena serupa ketika cairan dipanaskan dari bawah. Lapisan cairan hangat - kurang padat, dan karenanya lebih ringan - dipindahkan ke atas oleh lapisan dingin yang lebih padat dan lebih berat. Lapisan cairan dingin, setelah jatuh, dipanaskan oleh sumber panas dan sekali lagi dipindahkan oleh cairan yang kurang panas. Dengan demikian, gerakan seperti itu secara merata menghangatkan semua air. Hal ini dapat terlihat lebih jelas jika Anda meletakkan beberapa kristal kalium permanganat di bagian bawah bejana, yang mewarnai air di dalamnya. ungu. Dalam percobaan seperti itu, kita dapat mengamati jenis lain dari perpindahan panas - konveksi(kata latin "konveksi"- pemindahan).

Perlu dicatat bahwa selama proses konveksi, energi dipindahkan oleh pancaran gas atau cairan itu sendiri. Misalnya, di ruangan dengan pemanas, karena fenomena konveksi, aliran udara panas naik ke langit-langit, dan udara dingin turun ke lantai. Dengan demikian, udara di atas jauh lebih hangat daripada di dekat lantai.

Ada dua jenis konveksi: alami(atau dengan kata lain gratis) dan dipaksa. Contoh fluida pemanas dan udara dalam suatu ruangan adalah contoh konveksi alami. Kita dapat mengamati konveksi paksa ketika kita mengaduk cairan dengan sendok, pengaduk, pompa.

Zat seperti cairan dan gas harus dipanaskan dari bawah. Jika Anda melakukan yang sebaliknya - panaskan dari atas, tidak akan ada konveksi. Lapisan hangat tidak dapat secara fisik tenggelam di bawah lapisan dingin, lebih padat dan lebih berat. Jadi, agar proses konveksi dapat berlangsung, perlu memanaskan gas dan cairan dari bawah.

PADA padatan konveksi tidak dapat terjadi. Kita telah mengetahui bahwa pada zat padat, partikel berosilasi di sekitar titik tertentu, karena mereka disatukan oleh ketertarikan timbal balik. Oleh karena itu, ketika padatan dipanaskan, tidak ada zat yang dapat terbentuk di dalamnya. Pada zat padat, energi dapat ditransfer secara konduksi.

Konveksi tersebar luas di alam: di lapisan bawah atmosfer bumi, laut, samudra, di perut planet kita, di Matahari (berlapis-lapis hingga kedalaman ~ 20-30% dari jari-jari Matahari dari permukaannya). Dengan bantuan fenomena konveksi, gas dan cairan dipanaskan di berbagai perangkat teknis.

Contoh sederhana konveksi juga bisa menjadi pendinginan makanan di lemari es. Gas freon yang bersirkulasi melalui pipa-pipa lemari es mendinginkan lapisan udara di bagian atas lemari es. Udara yang didinginkan, setelah turun, mendinginkan semua produk, dan kemudian naik lagi. Saat kita menata makanan di lemari es, jangan sampai menghambat sirkulasi udara di dalamnya. Parut, yang terletak di belakang lemari es, berfungsi untuk menghilangkan udara hangat, yang terbentuk di kompresor selama kompresi gas. Mekanisme pendinginan grate juga bersifat konvektif, jadi sebaiknya sisakan ruang kosong di belakang lemari es agar konveksi dapat berlangsung tanpa kesulitan.

Apakah Anda memiliki pertanyaan? Tidak tahu bagaimana melakukan pekerjaan rumah Anda?
Untuk mendapatkan bantuan dari tutor -.
Pelajaran pertama gratis!

blog.site, dengan penyalinan materi secara penuh atau sebagian, diperlukan tautan ke sumbernya.