Kui tuua käsi sisselülitatud elektrilambile lähemale või asetada peopesa kuuma pliidi kohale, on tunda sooja õhuvoolu liikumist. Sama efekti võib täheldada ka siis, kui paberileht võngutatakse lahtise leegi kohal. Mõlemad efektid on seletatavad konvektsiooniga.
Mis see on?
Konvektsiooni nähtus põhineb külmema aine paisumisel kokkupuutel kuuma massiga. Sellistes tingimustes kaotab kuumutatud aine oma tiheduse ja muutub ümbritseva külma ruumiga võrreldes kergemaks. Kõige täpsemini vastab see nähtuse omadus soojusvoogude liikumisele vee soojendamisel.
Molekulide liikumine vastassuundades kuumutamise mõjul on täpselt see, millel konvektsioon põhineb. Kiirgus ja soojusjuhtivus on sarnased protsessid, kuid need puudutavad peamiselt soojusenergia ülekandmist tahkestes ainetes.
Ilmekad näited konvektsioonist – sooja õhu liikumine keset küttega ruumiseadmed, kui kuumutatud voolud liiguvad lae alla ja külm õhk laskub põranda pinnale. Seetõttu on kütte sisselülitamisel ruumi ülaosas õhk märgatav alt soojem võrreldes ruumi alumise osaga.
Archimedese seadus ja füüsiliste kehade soojuspaisumine
Selleks, et mõista, mis on loomulik konvektsioon, piisab, kui vaadelda protsessi Archimedese seaduse näitel ja kehade paisumise nähtust soojuskiirguse mõjul. Nii et vastav alt seadusele toob temperatuuri tõus tingimata kaasa vedeliku mahu suurenemise. Altpoolt kuumutatud vedelik mahutites tõuseb kõrgemale ja vastav alt suurema tihedusega niiskus liigub madalamale. Ülev alt kütmisel jäävad oma kohale rohkem ja vähem tihedad vedelikud, mille puhul nähtust ei esine.
Mõtete tekkimine
Termina "konvektsioon" pakkus esmakordselt välja inglise teadlane William Prout 1834. aastal. Seda kasutati termiliste masside liikumise kirjeldamiseks kuumutatud liikuvates vedelikes.
Esimesed teoreetilised uuringud konvektsiooni nähtuse kohta algasid alles 1916. aastal. Katsete käigus leiti, et üleminek difusioonilt konvektsioonile altkuumutatud vedelikes toimub teatud kriitiliste temperatuuriväärtuste saavutamisel. Hiljem määratleti see väärtus kui "Roeli number". See sai oma nime seda uurinud teadlase järgi. Katsete tulemused võimaldasid selgitada soojusvoogude liikumist Archimedese jõudude mõjul.
Konvektsiooni tüübid
Me kirjeldame mitut tüüpi nähtust – loomulik ja sundkonvektsioon. Näide kuuma ja külma õhuvoolu liikumisest keset ruumi on parim viis loomuliku konvektsiooni protsessi iseloomustamiseks. Mis puutub sunni, siis seda võib täheldada vedelikku lusika, pumba või segistiga segades.
Konvektsioon on võimatu, kui tahkeid aineid kuumutatakse. Selle põhjuseks on üsna tugev vastastikune külgetõmme nende tahkete osakeste vibratsiooni ajal. Tahke struktuuriga kehade kuumenemise tulemusena konvektsiooni ja kiirgust ei teki. Soojusjuhtivus asendab need nähtused sellistes kehades ja aitab kaasa soojusenergia ülekandmisele.
Nn kapillaarkonvektsioon on omaette liik. Protsess toimub siis, kui temperatuur muutub vedeliku liikumise ajal läbi torude. Looduslikes tingimustes on sellise konvektsiooni tähtsus koos loomuliku ja sundkonvektsiooniga äärmiselt ebaoluline. Kuid kosmosetehnoloogias muutuvad kapillaarkonvektsioon, kiirgus ja materjalide soojusjuhtivus väga olulisteks teguriteks. Isegi kõige nõrgemad konvektiivsed liikumised kaaluta tingimustes muudavad mõnede tehniliste ülesannete täitmise keeruliseks.
Konvektsioon maakoore kihtides
Konvektsiooniprotsessid on lahutamatult seotud gaasiliste ainete loomuliku tekkega maakoore paksuses. Maakera võib vaadelda kui mitmest kontsentrilisest kihist koosnevat sfääri. Keskel on massiivne kuum tuum, mis on suure tihedusega vedel mass, mis sisaldab rauda,nikkel, aga ka muud metallid.
Maa tuuma ümbritsevad kihid on litosfäär ja poolvedel vahevöö. Maakera pealmine kiht on otseselt maakoor. Litosfäär moodustub üksikutest plaatidest, mis on vabas liikumises, liikudes piki vedeliku vahevöö pinda. Erineva koostise ja tiheduse poolest erinevate vahevöö osade ja kivimite ebaühtlase kuumutamise käigus tekivad konvektiivsed voolud. Just selliste voolude mõjul toimub ookeanipõhja loomulik transformatsioon ja kandvate mandrite liikumine.
Konvektsiooni ja soojusjuhtivuse erinevused
Soojusjuhtivuse all tuleks mõista füüsiliste kehade võimet soojust üle kanda aatomi- ja molekulaarsete ühendite liikumise kaudu. Metallid on suurepärased soojusjuhid, kuna nende molekulid on üksteisega tihedas kontaktis. Vastupidi, gaasilised ja lenduvad ained toimivad halva soojusjuhina.
Kuidas konvektsioon toimub? Protsessi füüsika põhineb ainete molekulide massi vabast liikumisest tingitud soojusülekandel. Soojusjuhtivus seisneb omakorda üksnes energia ülekandmises füüsilise keha koostisosade vahel. Mõlemad protsessid on aga võimatud ilma aineosakesteta.
Näited nähtusest
Kõige lihtsam ja arusaadavam konvektsiooni näide on tavalise külmiku protsess. Tiraažjahutatud freoongaas läbi jahutuskambri torude viib ülemiste õhukihtide temperatuuri languseni. Sellest tulenev alt vajuvad külmad, asendades soojemate vooludega, alla, jahutades seega tooteid.
Külmiku tagapaneelil asuv rest täidab elemendi rolli, mis hõlbustab gaasi kokkusurumisel seadme kompressoris tekkiva sooja õhu eemaldamist. Võrkjahutus põhineb samuti konvektiivmehhanismidel. Just sel põhjusel ei ole soovitatav külmiku taga olevat ruumi risustada. Lõppude lõpuks saab jahutamine toimuda ilma raskusteta ainult sel juhul.
Teisi näiteid konvektsioonist võib näha, kui vaadelda sellist loodusnähtust nagu tuule liikumine. Kuivade mandrite kohal soojenemisel ja karmimal maastikul jahtumisel hakkavad õhuvoolud üksteist tõrjuma, pannes need liikuma, samuti liigutama niiskust ja energiat.
Linnude ja purilennukite hõljumise võimalus on seotud konvektsiooniga. Vähem tihe ja soojem õhumass koos ebaühtlase kuumenemisega Maa pinna lähedal põhjustab tõusvate hoovuste teket, mis aitab kaasa hüppelisele protsessile. Maksimaalsete vahemaade ületamiseks ilma jõudu ja energiat kulutamata peavad linnud suutma selliseid ojasid leida.
Head näited konvektsioonist on suitsu tekkimine korstnates ja vulkaanikraatrites. Suitsu ülespoole liikumine põhineb selle kõrgemal temperatuuril ja väiksemal tihedusel võrreldes ümbritsevaga. Kui suits jahtub, settib see järk-järgult atmosfääri alumistesse kihtidesse. Just sel põhjuseltööstuslikud torud, mille kaudu kahjulikud ained atmosfääri paisatakse, tehakse võimalikult kõrgele.
Levinud näited konvektsioonist looduses ja tehnoloogias
Lihtsamate, kergesti mõistetavate näidete hulgast, mida võib looduses, igapäevaelus ja tehnikas jälgida, tuleks esile tõsta:
- õhuvool majapidamises kasutatavate kütteakude töötamise ajal;
- pilvede teke ja liikumine;
- tuule, mussoonide ja tuulte liikumise protsess;
- tektooniliste maaplaatide nihkumine;
- protsessid, mis viivad vaba gaasi moodustumiseni.
Toiduvalmistamine
Kaasaegsetes kodumasinates, eriti ahjudes, realiseeritakse konvektsiooni nähtus üha enam. Konvektsiooniga gaasikapp võimaldab valmistada erinevaid roogasid korraga erinevatel tasapindadel erinevatel temperatuuridel. See välistab täielikult maitsete ja lõhnade segunemise.
Traditsiooniline ahi toetub õhu soojendamiseks ühele põletile, mille tulemuseks on ebaühtlane soojusjaotus. Kuuma õhuvoolude sihipärase liikumise tõttu spetsiaalse ventilaatori abil osutuvad pöördõhuga ahjus olevad toidud mahlasemaks ja paremini küpsetatuks. Sellised seadmed kuumenevad kiiremini, mis vähendab toiduvalmistamiseks kuluvat aega.
Loomulikult on koduperenaistele, kes küpsetavad ahjus vaid paar korda aastas, kodumasin kooskonvektsiooni funktsiooni ei saa nimetada esmavajalikuks tehnikaks. Kuid neile, kes ei saa elada ilma kulinaarsete eksperimentideta, muutub selline seade köögis lihts alt asendamatuks.
Loodame, et esitatud materjal oli teile kasulik. Palju õnne!
