Konveksjon

Konveksjon er straumar som transporter energi, til dømes varme, i væsker og gassar.

Når ein del av ei væske får mindre tettleik vil den stige på grunn av gravitasjonen. Når eit volum av ei væske stig vil det presse bort tilsvarande volum av den same væska. Væska som blir pressa bort vil så strøyme til det området som den stigande væska forlèt. Dette fører til ein sirkulær straum i væska, ein indre straum.

Til dømes når vatn blir varma opp i ei panne på ein komfyr, virkar det som om alt vatnet blir varma opp samtidig. Varmen i botn av panna varmar opp det næraste vatnet via konduksjon og stråling, og dette oppvarma vatnet får dermed mindre tettleik, stig, og lèt kaldare vatn søkke ned til botn av panna. Medan vatnet stig overfører det noko av varmen til vatnet i midten og toppen av panna. Når det blir avkjølt, blir det tyngre og søkk ned igjen til botn, der det igjen blir varma opp og prosessen startar på nytt. Vatn er derimot den einaste væska som ikkje alltid blir lettare når den blir varma opp. Når vatnet er nær frysepunktet utvidar ikkje vatnet seg viss det blir varma opp eit par grader, og vil heller ikkje stige. Dette forklarar korleis fisk kan overleve om vinteren i islagte vatn, fordi det tyngre og varmare vatnet er på botn av innsjøen. Konveksjon gjer at det varmare vatn søkk på grunn av gravitasjonen.

Eit anna eksempel på konveksjon er termalar

Det er ikkje berre væsker, gassar og plasma som oppfører seg som flytande substansar, men òg store faste lekamar som Jorda sin mantel oppfører seg som ei væske på ein lang tidsskala, og under høgt trykk og temperatur. Varmekonveksjon kan oppstå ved temperaturskilnadar enten internt i ei væske eller mellom to forskjellige væsker. Andre kjelder til tettleiksvariasjonar kan vere konsentrasjonsendringar av stoff som til dømes salinitet eller ved at eksterne krefter virkar på væska.

Konveksjon er ein av tre mekanismar som kan overføre varme. Dei andre er konduksjon og stråling. Konveksjon kan oppstå både i atmosfæren, i havet og i mantelen til jorda.

Fri og tvungen konveksjon

Ein skil mellom fri og tvungen varmekonveksjon

Fri konveksjon er konveksjon der ei væske kjem i rørsle på grunn av tettleiksskilnadar (til dømes at det oppstår temperaturskilnadar internt i væska). Døme på dette er varmluft som stig frå ein omn.

Ein av dei grunnleggande vilkåra for fri konveksjon er at den oppvarma væska får oppdrift og stig, medan den kaldare væska søkk. Fri konveksjon skjer i ei væske eller gass som utvidar seg eller trekkjer seg saman som følgje av temperaturendringar når dette skjer i eit akselerasjonsfelt som gravitasjon. Den lokale tettleiksendringa fører til at oppdriftskrefter skapar straumar i væska. Utan gravitasjon vil ikkje fri konveksjon oppstå, fordi oppdrifta ikkje lenger blir gjeldande.

Tvungen konveksjon skjer når ei væske kjem i rørsle som følgje av ei ekstern kraft (som ei pumpe eller vifte). Når vi bles på maten for å avkjøle den er det tvungen konveksjon.

Konveksjon ved ei overflate

Den lokale varmefluksen i ei væske som strøymer over ei flate er utrykt som

$q''=h(T_{s}-T_{\infty })$

der:

$q''$ - lokal varmefluks
$h$ - lokal konveksjonskoeffisient
$T_{s}$ - overflatetemperatur
$T_{\infty }$ - omliggande temperatur

Den totale varmeoverføringa $q$ blir så rekna ut som integralet av $q''$ over overflatearealet,

$q=\int _{A}q''\,dA$

Dette fører til ein definisjon av ein midla konveksjonkoeffisient, ${\overline {h}}$ , definert frå

${q \over {A}}={\overline {h}}(T_{s}-T_{\infty })$

Her er A arealet av overflata.

Sjå òg: Væskedynamikk, Nusselttalet, Grashoftalet, ogVarmeoverføringskoeffisient.

Konveksjon i atmosfæren

Solstråling varmar opp jordoverflata, og denne varmen blir så overført til lufta ved konveksjon. Når eit luftlag får nok varme frå jordoverflata, utvidar lufta seg, blir lettare, får oppdrift og stig oppover i atmosfæren. Kaldare og tyngre luft søkk under lufta som stig, og blir òg varma opp og stig. Den varme lufta blir avkjølt når den når dei høgare og kaldare områda av atmosfæren, og blir tyngre. Sidan den ikkje kan søkke igjennom den stigande lufta under seg, flyttar den seg sidevegs før den byrjar å søkke. Når lufta når bakken igjen blir den varma opp på ny og dradd tilbake til der den byrja å stige første gong. Desse konveksjonsstraumane fører til lokal vind, termalar, syklonar og torevêr. På større skala skapar konveksjonen det globale atmosfæriske sirkulasjonsmønsteret

Eit enkelt område av luft med stigande og søkkande luftstraumar blir kalla ei konveksjonscelle.

Sjå òg: Vêr.

Konveksjon i havet

Solstrålinga påverkar òg havet. Varmt vatn frå ekvator har ein tendens til å strøyme mot polområda, medan kaldt polarvatn strøymer tilbake mot ekvator. Konveksjon i havet oppstår òg ofte som følgje av endring av salinitet, kjend som termohalin konveksjon. Denne prosessen er svært viktig for den termohaline sirkulasjonen. I desse tilfella er det mogeleg at relativt varmt og salt vatn søkk, medan kaldare og ferskare vatn stig og dermed snur oppned på varmetransporten.

Konveksjon i mantelen

Konveksjon i Jorda sin mantel er dei drivande kreftene bak platetektonikk. Men, i motsetnad til dei meir kjende døma som kokande suppe, kjem mesteparten av varmestraumen frå mantelen sjølv. Kjelda til denne varmen er radioaktiv nedbryting av kalium. Dette har ført til at platetektonikken på Jorda har kunne halde på mykje lenger enn visst dei berre var driven varme som var igjen frå då Jorda blei danna.

Konveksjonsmønster

Konveksjon, særleg Rayleigh-Bènard konveksjon, der den konvektive væska ligg mellom to faste horisontale plater, er eit nyttig eksempel på eit konveksjonsmønster. Når ein kjem over ein kritisk verdi av Rayleightalet, går systemet igjennom eit todelingssystem frå eit stabilt konduksjonsstadium til eit konveksjonsstadium. Visst ingen andre væskeparameterar enn tettleiken er avhengig av temperatur, vil straummønsteret vere symmetrisk, og like store volum som stig vil og søkke. Dette er kjend som Boussinesq konveksjon Visst temperaturskilnaden mellom toppen og botn av væska er større, vil parameterar som viskositet byrje å variere i laget. Dette øydelegg symmetrien i systemet og endrar rørslemønsteret frå å vere stripeforma til å bli heksagonalt.

Visst Rayleightalet aukar vidare over den verdien der konveksjonen først starta, kan systemet gjennomgå fleire todelingar, der ein etter kvart kan få spiralmønster.

Sjå òg

Bakgrunnsstoff

Korrelasjonar av konvektiv varmeoverføring
Introduksjon til mekanismane bak fri konveksjon Arkivert 2006-08-29 ved Wayback Machine.