14.6: Convection

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Jadili njia ya uhamisho wa joto kwa convection.

Convection inaendeshwa na mtiririko mkubwa wa suala. Katika kesi ya Dunia, mzunguko wa anga unasababishwa na mtiririko wa hewa ya moto kutoka kwenye kitropiki hadi kwenye miti, na mtiririko wa hewa baridi kutoka kwenye miti kuelekea kitropiki. (Kumbuka kuwa mzunguko wa Dunia husababisha mtiririko wa hewa wa mashariki katika ulimwengu wa kaskazini). Injini za gari zinahifadhiwa baridi na mtiririko wa maji katika mfumo wa baridi, na pampu ya maji inadumisha mtiririko wa maji baridi kwa pistoni. Mfumo wa mzunguko hutumiwa mwili: wakati mwili unapokwisha, mishipa ya damu katika ngozi hupanua (kupanua), ambayo huongeza mtiririko wa damu kwenye ngozi ambapo inaweza kupozwa na jasho. Vyombo hivi huwa vidogo wakati ni baridi nje na kubwa wakati ni moto (hivyo mtiririko wa maji zaidi, na nishati zaidi huhamishwa).

Mwili pia hupoteza sehemu kubwa ya joto lake kupitia mchakato wa kupumua.

Wakati convection ni kawaida ngumu zaidi kuliko conduction, tunaweza kuelezea convection na kufanya baadhi ya moja kwa moja, mahesabu ya kweli ya madhara yake. Convection ya asili inaendeshwa na vikosi vya buoyant: hewa ya moto huongezeka kwa sababu wiani hupungua kama joto linavyoongezeka. Nyumba katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\) inachukuliwa joto kwa namna hii, kama ilivyo sufuria ya maji kwenye jiko la Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Maji ya bahari na mzunguko mkubwa wa anga huhamisha nishati kutoka sehemu moja ya dunia hadi nyingine. Wote ni mifano ya convection ya asili.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Air inapokanzwa na tanuru inayoitwa mvuto huongezeka na kuongezeka, na kutengeneza kitanzi cha convective ambacho huhamisha nishati kwa sehemu nyingine za chumba. Kama hewa ni kilichopozwa kwenye dari na nje ya kuta, ni mikataba, hatimaye kuwa denser kuliko chumba hewa na kuzama kwa sakafu. Mfumo wa kupokanzwa vizuri kwa kutumia convection ya asili, kama hii, inaweza kuwa na ufanisi kabisa katika inapokanzwa nyumba kwa usawa.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Convection ina jukumu muhimu katika uhamisho wa joto ndani ya sufuria hii ya maji. Mara baada ya kufanywa ndani, uhamisho wa joto kwa sehemu nyingine za sufuria ni zaidi kwa convection. Maji ya moto yanaongezeka, hupungua kwa wiani, na huongezeka kuhamisha joto kwenye mikoa mingine ya maji, huku maji baridi yanazama chini. Utaratibu huu unaendelea kurudia.

Kuchukua-Nyumbani majaribio: Convection Rolls katika Pan Joto

Kuchukua sufuria mbili ndogo za maji na utumie dropper ya jicho ili kuweka tone la rangi ya chakula karibu na chini ya kila mmoja. Acha moja juu ya benchi na joto nyingine juu ya stovetop. Kuangalia jinsi rangi kuenea na muda gani inachukua rangi kufikia juu. Angalia jinsi matanzi ya convective yanavyofanya.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Calculating Heat Transfer by Convection: Convection of Air Through the Walls of a House

Nyumba nyingi hazipatikani hewa: hewa inakwenda ndani na nje karibu na milango na madirisha, kwa njia ya nyufa na miundo, kufuatia wiring kwa swichi na maduka, na kadhalika. Upepo katika nyumba ya kawaida hubadilishwa kabisa chini ya saa. Tuseme kwamba nyumba ya ukubwa wa wastani ina ndani ya vipimo vya\(12.0m \times 18.0 m \times 3.00 m\) juu, na kwamba hewa yote inabadilishwa katika 30.0 min. Tumia uhamisho wa joto kwa wakati wa kitengo katika watts unahitajika ili joto la hewa inayoingia baridi kwa\(10.0^oC\) hivyo kuchukua nafasi ya joto iliyohamishwa na convection peke yake.

Mkakati

Joto hutumiwa kuongeza joto la hewa ili\(Q = mc\Delta T\). Kiwango cha uhamisho wa joto ni basi\(Q/t\), wapi\(t\) wakati wa mauzo ya hewa. Tunapewa\(\Delta T\) yaani\(10.0^oC\), lakini bado tunapaswa kupata maadili kwa wingi wa hewa na joto lake maalum kabla hatuwezi kuhesabu\(Q\). Joto maalum la hewa ni wastani wa mizigo ya jua kali za nitrojeni na oksijeni, ambayo hutoa\(c = c_p \approx 1000 \, J/kg \cdot ^oC\) kutoka meza (kumbuka kuwa joto maalum katika shinikizo la mara kwa mara linapaswa kutumika kwa mchakato huu).

Suluhisho

1. Kuamua wingi wa hewa kutoka wiani wake na kiasi kilichopewa cha nyumba. Uzito hutolewa kutoka kwa wiani\(\rho\) na kiasi\[m = \rho V = (1.29 \, kg/m^3)912.0 \, m \times 18.0 \, m \times 3.00 \, m) = 836 \, kg\]
2. Tumia joto lililohamishwa kutokana na mabadiliko ya joto la hewa\(Q = mc \Delta T\) ili\[Q = (836 \, kg)(1000 \, J/kg \cdot^oC)(10.0^oC) = 8.36 \times 10^6 \, J.\]
3. Tumia uhamisho wa joto kutoka joto\(Q\) na wakati wa mauzo\(t\). Tangu hewa ni akageuka juu katika\(t = 0.500 \, h = 1800 \, s\), joto kuhamishiwa kwa wakati kitengo ni\[\dfrac{Q}{t} = \dfrac{8.36 \times 10^6 \, J}{1800 \, s} = 4.64 \, kW.\]

Majadiliano

Kiwango hiki cha uhamisho wa joto ni sawa na nguvu zinazotumiwa na balbu za mwanga wa arobaini na sita 100-W. Majumba mapya yaliyojengwa yameundwa kwa muda wa mauzo ya masaa 2 au zaidi, badala ya dakika 30 kwa nyumba ya mfano huu. Hali ya hewa stripping, caulking, na kuboresha mihuri dirisha ni kawaida kuajiriwa. Hatua kali zaidi wakati mwingine huchukuliwa katika hali ya baridi sana (au moto) ili kufikia kiwango kikubwa cha masaa zaidi ya 6 kwa mauzo moja ya hewa. Bado muda mrefu wa mauzo ni mbaya, kwa sababu kiwango cha chini cha hewa safi ni muhimu kutoa oksijeni kwa kupumua na kuondokana na uchafuzi wa kaya. Neno linalotumiwa kwa mchakato ambao nje ya hewa huvuja ndani ya nyumba kutokana na nyufa karibu na madirisha, milango, na msingi huitwa “uingizaji wa hewa.”

Upepo wa baridi ni mbaya zaidi kuliko hewa ya baridi, kwa sababu convection inachanganya na conduction katika mwili ili kuongeza kiwango ambacho nishati huhamishwa mbali na mwili. Jedwali hapa chini linatoa takriban mambo ya upepo, ambayo ni joto la hewa bado inayozalisha kiwango sawa cha baridi kama hewa ya joto na kasi iliyotolewa. Sababu za upepo ni ukumbusho mkubwa wa uwezo wa convection kuhamisha joto kwa kasi zaidi kuliko uendeshaji. Kwa mfano, upepo wa 15.0 m/s\(0^oC\) una sawa sawa na hewa bado karibu\(-18^oC\).

Kusonga joto la hewa Kasi ya upepo (m/s)

\(^oC\)	2	5	10	15	20
\ (^OC\)” style="Nakala-align:katikati; "> 5	3	-1	-8	-10	-12
\ (^OC\)” style="Nakala-align:katikati; "> 2	0	-7	-12	-16	-18
\ (^OC\)” style="Nakala-align:katikati; "> 0	-2	-9	-15	-18	-20
\ (^OC\)” style="Nakala-align:katikati; "> -5	-7	-15	-22	-26	-29
\ (^OC\)” style="Nakala-align:katikati; "> -10	-12	-21	-29	-34	-36
\ (^OC\)” style="Nakala-align:katikati; "> -20	-23	-34	-44	-50	-52
\ (^OC\)” style="Nakala-align:katikati; "> -40	-44	-59	-73	-82	-84

Ingawa hewa inaweza kuhamisha joto haraka kwa convection, ni conductor maskini na hivyo insulator nzuri. Kiasi cha nafasi inapatikana kwa hewa ya hewa huamua kama hewa hufanya kama insulator au conductor. Nafasi kati ya kuta za ndani na nje za nyumba, kwa mfano, ni karibu 9 cm (3.5 in) -kubwa ya kutosha kwa convection kufanya kazi kwa ufanisi. Kuongezea kwa insulation ya ukuta huzuia hewa, hivyo kupoteza joto (au kupata) kunapungua. Vile vile, pengo kati ya panes mbili za dirisha la mara mbili ni karibu 1 cm, ambayo inazuia convection na inachukua faida ya conductivity ya chini ya hewa ili kuzuia hasara kubwa. Fur, fiber, na fiberglass pia hutumia faida ya conductivity ya chini ya hewa kwa kuipiga katika nafasi ndogo sana ili kusaidia convection, kama inavyoonekana katika takwimu. Fur na manyoya ni nyepesi na hivyo ni bora kwa ulinzi wa wanyama.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Fur imejaa hewa, kuivunja ndani ya mifuko mingi ndogo. Convection ni polepole sana hapa, kwa sababu loops ni ndogo sana. Conductivity ya chini ya hewa hufanya manyoya nzuri sana insulator lightweight.

Matukio mengine ya kuvutia hutokea wakati convection inaambatana na mabadiliko ya awamu. Inatuwezesha kupungua kwa jasho, hata kama joto la hewa inayozunguka huzidi joto la mwili. Joto kutoka ngozi inahitajika kwa jasho kuenea kutoka kwenye ngozi, lakini bila mtiririko wa hewa, hewa inakuwa imejaa na kuacha uvukizi. Mzunguko wa hewa unaosababishwa na convection hubadilisha hewa iliyojaa na hewa kavu na uvukizi unaendelea.

Mfano\(\PageIndex{2}\): Calculate the Flow of Mass during Convection: Sweat-Heat Transfer away from the Body

Mtu wa kawaida hutoa joto kwa kiwango cha 120 W wakati wa kupumzika. Kwa kiwango gani maji yanapaswa kuenea kutoka kwenye mwili ili kuondokana na nishati hii yote? (Uvukizi huu unaweza kutokea wakati mtu ameketi katika kivuli na joto jirani ni sawa na joto la ngozi, kuondoa uhamisho wa joto kwa njia nyingine.)

Mkakati

Nishati inahitajika kwa mabadiliko ya awamu\((Q = mL_v)\). Hivyo, hasara ya nishati kwa wakati kitengo ni\[\dfrac{Q}{t} = \dfrac{mL_v}{t} = 120 \, W = 120 \, J/s.\]

Tunagawanya pande zote mbili za equation na\(L_v\) kupata kwamba molekuli evaporated kwa wakati kitengo ni\[\dfrac{m}{t} = \dfrac{120 \, J/s}{L_v}.\]

Suluhisho

(1) Weka thamani ya joto latent kutoka [kiungo],\(L_v = 2430 \, kJ/kg = 2430 \, J/g\). Hii mavuno\[\dfrac{m}{t} = \dfrac{120 \, J/s}{2430 \, J/g} = 0.0494 \, g/s = 2.96 \, g/min.\]

Majadiliano

Kuvukiza kuhusu 3 g/min inaonekana kuwa nzuri. Hii itakuwa juu ya 180 g (kuhusu 7 oz) kwa saa. Ikiwa hewa ni kavu sana, jasho linaweza kuenea bila hata kutambuliwa. Kiasi kikubwa cha uvukizi pia hufanyika katika mapafu na vifungu vya kupumua.

Mfano mwingine muhimu wa mchanganyiko wa mabadiliko ya awamu na convection hutokea wakati maji hupuka kutoka bahari. Joto huondolewa kutoka baharini wakati maji yanapoenea. Ikiwa mvuke wa maji hupungua katika matone ya kioevu kama mawingu yanavyounda, joto hutolewa katika angahewa. Hivyo, kuna uhamisho wa jumla wa joto kutoka bahari hadi anga. Utaratibu huu ni nguvu ya kuendesha gari nyuma ya radi, mawingu hayo makubwa ya cumulus yanayotokea kama kilomita 20.0 kwenye stratosphere. Mvuke wa maji uliofanywa na convection condenses, ikitoa kiasi kikubwa cha nishati. Nishati hii inasababisha hewa kupanua na kuongezeka, ambapo ni baridi zaidi. Condensation zaidi hutokea katika mikoa hii ya baridi, ambayo kwa hiyo inaendesha wingu hata zaidi. Utaratibu huo unaitwa maoni mazuri, kwani mchakato unaimarisha na kuharakisha yenyewe. Mifumo hii wakati mwingine huzalisha dhoruba za vurugu, na umeme na mvua ya mawe, na hufanya utaratibu wa kuendesha gari vimbunga.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mawingu ya Cumulus yanasababishwa na mvuke wa maji unaoongezeka kwa sababu ya convection. Kuongezeka kwa mawingu kunaendeshwa na utaratibu wa maoni mazuri. (mikopo: Mike Love)

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Convection akifuatana na mabadiliko ya awamu hutoa nishati zinazohitajika kuendesha radi hii katika stratosphere. (mikopo: Gerardo García Moretti)

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Mabadiliko ya awamu yanayotokea wakati barafu hii inayeyuka inahusisha uhamisho mkubwa wa joto. (mikopo: Dominic Alves)

Harakati ya barafu ni mfano mwingine wa convection unaongozana na mabadiliko ya awamu. Tuseme barafu drifts kutoka Greenland katika maji ya joto Atlantiki. Joto huondolewa kwenye maji ya joto ya bahari wakati barafu linayeyuka na joto linatolewa kwa wingi wa ardhi wakati barafu linaunda Greenland.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Eleza kwa nini kutumia shabiki katika majira ya joto huhisi kuburudisha!

Jibu

Kutumia shabiki huongeza mtiririko wa hewa: hewa ya joto karibu na mwili wako inabadilishwa na hewa baridi kutoka mahali pengine. Convection huongeza kiwango cha uhamisho wa joto ili kusonga hewa “huhisi” baridi kuliko bado hewa.

Muhtasari

• Convection ni uhamisho wa joto na harakati macroscopic ya molekuli. Convection inaweza kuwa ya asili au kulazimishwa na kwa ujumla kuhamisha nishati ya joto kwa kasi zaidi kuliko uendeshaji. Jedwali hutoa mambo ya upepo, kuonyesha kwamba hewa ya kusonga ina athari sawa ya kupumua ya hewa yenye baridi sana. Convection ambayo hutokea pamoja na mabadiliko ya awamu inaweza kuhamisha nishati kutoka mikoa ya baridi hadi joto.