ĐỐI LƯU: ĐẶC ĐIỂM, VÍ DỤ, ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2025

Đối lưu là một trong ba cơ chế truyền nhiệt từ vùng này sang vùng khác ấm hơn. Nó xảy ra do sự chuyển động của khối lượng chất lỏng, có thể là chất lỏng hoặc chất khí. Trong mọi trường hợp, luôn cần có phương tiện vật chất để cơ chế này diễn ra.

Chuyển động của chất lỏng càng nhanh thì sự truyền nhiệt năng giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau càng nhanh. Điều này xảy ra liên tục với các khối không khí trong khí quyển: sức nổi đảm bảo rằng khối ấm hơn và ít đặc hơn tăng lên trong khi khối lạnh hơn và dày đặc hơn giảm xuống.

Hình 1. Một căn phòng được làm mát bằng cách mở cửa, vì không khí nóng (mũi tên đỏ) và ít đặc hơn bốc lên và thoát ra khỏi đó. Nguồn: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Một ví dụ về điều này là căn phòng đóng kín trong hình ảnh, căn phòng này ngay lập tức được làm mới ngay khi cửa ra vào hoặc cửa sổ được mở ra, vì không khí nóng từ bên trong thoát ra ngay cả khi qua các khe nứt, nhường chỗ cho không khí trong lành từ bên ngoài. xuống.

Các loại đối lưu

Đối lưu tự nhiên và cưỡng bức

Hình 2. Các ví dụ về đối lưu cưỡng bức và đối lưu tự nhiên. Nguồn: Cengel, Y. Thermodynamics.

Sự đối lưu có thể là tự nhiên hoặc cưỡng bức. Trong trường hợp đầu tiên, chất lỏng tự di chuyển như khi mở cửa vào phòng, trong khi trường hợp thứ hai, chất lỏng bị ép bởi quạt hoặc máy bơm, chẳng hạn.

Khuếch tán và đối lưu

Cũng có thể có hai biến thể: khuếch tán và đối lưu. Trong sự khuếch tán, các phân tử của chất lỏng di chuyển ít nhiều một cách ngẫu nhiên và sự truyền nhiệt chậm.

Ngược lại, đối lưu di chuyển một lượng chất lỏng tốt, có thể đạt được bằng cách ép đối lưu với quạt, chẳng hạn. Nhưng ưu điểm của đối lưu là nhanh hơn nhiều so với khuếch tán.

¿

Một mô hình toán học đơn giản về truyền nhiệt đối lưu là định luật làm mát Newton. Xét một bề mặt nóng của khu vực A, được bao quanh bởi không khí mát hơn, sao cho sự chênh lệch về nhiệt độ là nhỏ.

Gọi nhiệt lượng truyền là Q và thời gian t. Tốc độ truyền nhiệt là dQ / dt hoặc suy ra từ hàm Q (t) theo thời gian.

Vì nhiệt là nhiệt năng, đơn vị của nó trong Hệ thống quốc tế là jun (J), do đó tốc độ truyền tính bằng jun / giây, là watt hoặc watt (W).

Tốc độ này tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa vật nóng và môi trường, ký hiệu là ΔT và cũng với diện tích bề mặt A của vật:

Hằng số tỉ đối được gọi là h, là hệ số truyền nhiệt do đối lưu và được xác định bằng thực nghiệm. Đơn vị của nó trong Hệ thống quốc tế (SI) là W / m ² . K, nhưng nó thường được tìm thấy dưới dạng độ C hoặc độ C.

Điều quan trọng cần lưu ý là hệ số này không phải là một đặc tính của chất lỏng, vì nó phụ thuộc vào một số biến số, chẳng hạn như hình dạng của bề mặt, tốc độ của chất lỏng và các đặc tính khác.

Kết hợp tất cả những điều trên, về mặt toán học định luật làm mát Newton có dạng như sau:

Ứng dụng của định luật làm mát Newton

Một người đứng giữa căn phòng 20 ° C, có một làn gió nhẹ thổi qua. Nhiệt lượng mà người đó truyền ra môi trường bằng phương pháp đối lưu là bao nhiêu? Giả sử rằng diện tích bề mặt tiếp xúc là 1,6 m ² và nhiệt độ bề mặt của da là 29ºC.

Sự thật : hệ số truyền nhiệt đối lưu trong trường hợp này là 6 W / m ² . ºC

Giải pháp

Con người có thể truyền nhiệt cho không khí xung quanh họ, vì nó chuyển động khi gió thổi. Để tìm tốc độ truyền dQ / dt, chỉ cần cắm các giá trị vào phương trình làm mát của Newton:

dQ / dt = 6 W / m ² . ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W.

Ví dụ về đối lưu

Làm ấm bàn tay của bạn trên ngọn lửa trại

Thông thường, bạn có thể làm ấm bàn tay của mình bằng cách đưa chúng đến gần đống lửa trại hoặc lò nướng bánh mì nóng, vì không khí xung quanh nguồn nhiệt lần lượt nóng lên và nở ra, bốc lên vì nó ít đặc hơn. Khi nó lưu thông, không khí nóng này bao trùm và làm ấm bàn tay của bạn.

Hình 3. Một cách để làm ấm bàn tay của bạn là thông qua dòng đối lưu do ngọn lửa tạo ra trong không khí. Nguồn: Pxfuel.

Luồng không khí trên bờ biển

Trên bờ biển, nước biển lạnh hơn đất liền, do đó không khí trên mặt đất nóng lên và bốc lên, trong khi không khí lạnh hơn đến và đọng lại trong khoảng không gian này để lại khi đi lên.

Đây được gọi là tế bào đối lưu và là lý do tại sao bạn cảm thấy mát hơn khi nhìn ra biển và gió thổi vào mặt vào một ngày nắng nóng. Vào ban đêm, điều ngược lại xảy ra, gió mát từ đất liền.

Vòng tuần hoàn nước

Đối lưu tự nhiên xảy ra trong không khí của các bờ biển đại dương, thông qua chu trình thủy văn, trong đó nước được làm nóng và bốc hơi nhờ bức xạ mặt trời. Do đó, hơi nước hình thành bốc lên, nguội đi và ngưng tụ thành các đám mây, khối lượng của chúng tăng lên và bốc lên do đối lưu.

Khi kích thước của các giọt nước tăng lên, sẽ có lúc nước rơi xuống dưới dạng mưa, rắn hoặc lỏng, tùy thuộc vào nhiệt độ.

Đun sôi nước trong bình chứa

Khi cho nước vào ấm hoặc xoong, các lớp gần đáy nhất sẽ được đốt nóng trước, vì ngọn lửa hoặc nhiệt từ đầu đốt là gần nhất. Sau đó, nước nở ra và khối lượng riêng của nó giảm đi, do đó nó tăng lên và nước lạnh hơn chiếm vị trí của nó ở đáy bình chứa.

Hình 4. Đun nóng nước bằng đối lưu. Nguồn: wikimedia Commons. Người dùng: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Bằng cách này, tất cả các lớp lưu thông nhanh chóng và toàn bộ phần nước nóng lên. Đây là một ví dụ điển hình về sự kiên định.

Tạo gió

Sự đối lưu trong các khối không khí, cùng với chuyển động quay của trái đất, tạo ra gió, khi không khí lạnh di chuyển và lưu thông bên dưới không khí nóng, tạo ra nhiều dòng khác nhau được gọi là dòng đối lưu.

dòng chảy đại dương

Nước hoạt động theo cách tương tự như cách không khí trong khí quyển. Vùng nước ấm hơn hầu như luôn ở gần bề mặt, trong khi vùng nước mát hơn ở sâu hơn.

Hiệu ứng Dynamo

Nó xảy ra trong lõi nóng chảy bên trong hành tinh, nơi nó kết hợp với chuyển động quay của Trái đất, tạo ra các dòng điện làm phát sinh từ trường Trái đất.

Truyền năng lượng bên trong các vì sao

Những ngôi sao như Mặt trời là những quả cầu khí khổng lồ. Đối lưu là một cơ chế vận chuyển năng lượng hiệu quả ở đó, vì các phân tử khí có đủ tự do để di chuyển giữa các khu vực bên trong các ngôi sao.

Các ứng dụng của đối lưu

máy điều hoà

Máy điều hòa không khí được đặt gần trần của các phòng, để không khí được làm mát, dày đặc hơn, đi xuống và làm mát gần sàn nhà một cách nhanh chóng.

Bộ trao đổi nhiệt

Nó là một thiết bị cho phép truyền nhiệt từ chất lỏng này sang chất lỏng khác và là nguyên lý hoạt động của máy điều hòa không khí và cơ cấu làm mát của động cơ ô tô chẳng hạn.

Chất cách nhiệt trong các tòa nhà

Chúng được tạo ra bằng cách kết hợp các tấm vật liệu cách nhiệt và thêm bọt khí bên trong.

tháp giải nhiệt

Còn được gọi là tháp làm mát, chúng dùng để thải nhiệt do các nhà máy điện hạt nhân, nhà máy lọc dầu và các cơ sở công nghiệp khác sản xuất vào không khí, thay vì xuống mặt đất hoặc xuống nước.

Người giới thiệu

1. Giambattista, A. 2010. Vật lý. lần 2. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Dẫn điện, đối lưu và bức xạ. Được khôi phục từ: eltamiz.com.
3. Natahenao. Các ứng dụng nhiệt. Được khôi phục từ: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 1. Thứ 7. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Đối lưu. Được khôi phục từ: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Máy sinh nhiệt đối lưu. Được khôi phục từ: fr.wikipedia.org.