Примусова конвекція

За відсутності вітру поруч з шкірою утворюється шар теплого повітря, який ефективно забезпечує додатковий шар ізоляції, відомий як пограничний шар. Теплове зображення під кольором кодує тепле і прохолодне повітря, щоб ми могли візуалізувати утворення теплого прикордонного шару. (У наступному розділі ми дізнаємося, як створюються теплові зображення, подібні до цього.)

Теплове зображення, на якому показано повітря (зелене), нагріте за рахунок провідності шкіри, а потім піднімається в оточуючому прохолодному та більш щільному повітрі завдяки природній конвекції, про що йдеться в наступному розділі. Примусова конвекція - це зменшення цього прикордонного шару рідиною через інші фактори, крім потепління самої рідини, такі як вітер. Кредит зображення: „Тепловий шлейф від людської руки” Гері Сеттлз через Wikimedia Commons

Ми бачимо, що утеплений шкірою шар тонкий, але повітря має дуже низьку теплопровідність, тому цей шар може зробити важливий внесок у сповільнення провідності. Вітер, як правило, частково знімає цей ізолюючий шар і замінює його більш прохолодним повітрям. Товщина теплого прикордонного шару, який здатний утворюватися, залежить від швидкості вітру, при цьому вищі швидкості ведуть до більш тонких шарів і спричиняють більший ефект охолодження вітру. Охолодження вітром - це приклад вимушеної конвекції, при якій тепло і холодно обмінюються рідиною внаслідок руху рідини, спричиненого зовнішніми факторами, такими як дме вітер або тече вода.

Повсякденний приклад: гарячі джерела та сауни

Під час занурення в рідину з температурою, що перевищує температуру тіла, наприклад, у гарячому джерелі чи сауні, ви можете помітити, що рідина раптом стає гарячішою, коли ви рухаєтесь. Незалежно від того, рухається рідина навколо вас, чи ви рухаєтесь крізь рідину, в обох випадках відбудеться примусова конвекція. Коли рідина тепліша за ваше тіло, тепло передається з рідини у ваше тіло, залишаючи поруч з шкірою трохи холодніший прикордонний шар рідини. При русі цей прикордонний шар залишається позаду і замінюється новою гарячою рідиною, яка ще не охолоджена вашим тілом.

Швидкість тепловіддачі примусовою конвекцією може бути розрахована за допомогою емпіричного рівняння, яке дуже схоже на рівняння провідності:

(1)

Ще раз швидкість тепловіддачі пропорційна різниці між температурами об’єкта та навколишнього середовища. Площа контактної поверхні (А) знову відіграє певну роль, в даному випадку між предметом та рідиною. Нарешті, конвективний коефіцієнт тепловіддачі (h) враховує властивості рідини та враховує залежність товщини прикордонного шару від швидкості рідини. Коефіцієнт конвективної тепловіддачі часто визначають експериментально. Наприклад, на наступних графіках показані експериментальні дані про коефіцієнт тепловіддачі повітря при діапазоні швидкостей вітру:

Графік даних про коефіцієнт конвективного тепловіддачі для повітря. «М2» в одиницях вертикальної осі означає квадратні метри.

Вправи на підкріплення

Щоденний приклад: виживання в холодну погоду

Скорочення холодного вітру (примусова конвекція) є важливою частиною загальної стратегії виживання в холодну погоду. Давайте оцінимо наслідки примусової конвекції під час виживання в пустелі в 25 років ° F (-3,9 ° С) з 10 миль/год (4.5 РС) вітер. Припустимо, ви носите тонкі тканини, досить проникні для вітру. Тепер ми можемо наблизити ефект конвекції, припустивши, що поверхня тканини така ж, як температура тіла, і застосувавши рівняння конвекції:

Різниця між температурою тіла та температурою повітря становить 37 ° С - (-3,9 ° С) = 40,9 C °. Коефіцієнт тепловіддачі становить приблизно згідно з попереднім графіком. Використовуючи методи з глави 17, ми оцінюємо поверхню верхньої частини тіла. Введення цих значень у рівняння конвекції:

Конвективна втрата тепла в цій ситуації повністю перевершить 100 W теплова сила спокою типової людини і температура тіла швидко впадуть. Щоб побачити, наскільки швидко, перегляньте розділ Теплова потужність. Тремтіння може збільшити теплову потужність до 2,5 разів, до приблизно 250 W [4], але навіть це не могло б збалансувати конвективну втрату тепла. Пошук притулку від вітру є важливою частиною стратегії виживання. Носіння одягу, що зупиняє вітер, є важливою частиною підготовки у пустелі. Навіть великий пластиковий мішок для сміття, який можна носити на більшій частині тіла, значно зменшить втрати тепла конвекцією.

Вітер не буде проникати крізь добре герметичне вікно, тому, здається, примусова конвекція не повинна бути суттєвим фактором втрат тепла через вікно. Однак одна скляна панель погано справляється з попередженням провідності, тому значна теплова енергія все одно перетинає бар’єр. Ця теплова енергія нагріє прикордонний шар на зовнішній стороні вікна, який потім може відвести вітром, тому насправді озноб вітру може впливати на швидкість тепловтрат через вікно. Вікна з подвійними склопакетами зменшують провідність, використовуючи шар затриманого повітря між двома склопакетами.

Зазор у вікні з подвійним склопакетом занадто малий для ефективного формування конвекційних комірок. Заповнення щілини менш провідним, більш в'язким (або повільним) та газом низького тиску ще більше зменшує як провідність, так і конвекцію через газ. Суміш газів криптону та аргону часто використовується як компроміс між тепловими характеристиками та вартістю. Кредит зображення: «Вікна, наповнені газом», Інститут електронної науки Джона Даттона, Державний коледж наук про Землю та мінерали Пенна

Ми знаємо, що провідність зменшується через вікно з подвійним склопакетом, оскільки теплопровідність повітря надзвичайно низька, але повітряний зазор у подвійних вікнах зазвичай становить лише близько 2 см. Враховуючи, що швидкість тепловіддачі провідністю зменшується із збільшенням товщини повітряного шару, чому вікна з двосторонніми стеклами мають набагато більший зазор? Чому б не мінімізувати провідність, зробивши зазор майже на всю товщину стіни? Природна конвекція є відповіддю на це питання. Природна конвекція - це передача тепла внаслідок руху рідини, спричиненого тепловим розширенням самої рідини, а не зовнішніми факторами, такими як вітер. Наприклад, ви зігріваєте повітря біля шкіри, і це повітря розширюється. Після розширення та сама маса повітря тепер має більший об’єм, отже, за визначенням вона має меншу щільність. Будучи менш щільним, ніж навколишнє прохолодне повітря, тепле повітря буде плисти вгору, як ви можете бачити на попередньому тепловому зображенні руки людини. (Щоб нагадати собі, чому підніметься тепліше і менш щільне повітря, дивіться попередню главу про плавучі сили).

Коли підігріте повітря піднімається від шкіри, воно замінюється прохолодним повітрям, що рухається з кожної сторони теплої поверхні, яке потім нагрівається перед підйомом, створюючи циклічний малюнок потоку, відомий як конвекційна комірка. В цілому клітини конвекції транспортують теплову енергію від шкіри (або будь-якого теплого предмета).

Конвекційна комірка, що живиться від теплової енергії, що надходить від печі, передає теплову енергію по всій кімнаті. На жаль, більша частина теплого повітря - це верхня половина кімнати, а не нижня половина, де люди зазвичай тусуються. Кредит зображення: OpenStax, коледж фізики

Використання подвійних вікон з великим повітряним зазором дозволить утворити великі конвекційні комірки, і ці клітини ефективно передаватимуть теплову енергію через зазор. Зменшення розміру зазорів невеликим запобігає утворенню великих конвекційних комірок.

Повсякденні приклади: пухові, подвійні вікна, склопластик та хутро

Більшість стратегій ізоляції створюють волоконну матрицю, яка затримує невеликі кишені повітря, використовуючи низьку теплопровідність, одночасно перешкоджаючи утворенню великих конвекційних комірок. Пух, склопластикова ватина та хутро - приклади цієї стратегії. Волокна цих матеріалів мають провідність більшу, ніж повітря, тому захоплення більшої кількості повітря меншою кількістю волокон забезпечує найнижчу загальну середню провідність. Насправді деякі тварини, такі як білі ведмеді, мають порожнисте хутро, щоб збільшити відношення повітря до матричного матеріалу. [7] Найкращі стратегії ізоляції поєднують матрицю уловлювання повітря для мінімізації провідності та природної конвекції із зовнішнім покриттям, що зупиняє вітер, щоб запобігти примусовій конвекції. У вологому кліматі шар, що зупиняє вітер, також повинен бути водонепроникним, щоб запобігти заповненню водою повітряних кишень, створених основою волоконної матриці.

Конвекційні комірки забезпечують передачу тепла в самих різних системах у багатьох масштабах. Насправді вітер, який служить для відведення примусової конвекції від вашого тіла, насправді спричинений природними клітинами конвекції. Такі клітини можуть утворюватися внаслідок диференціального нагрівання та охолодження місцевої географії. Наприклад, повітря над океаном може залишатися прохолоднішим, тоді як повітря над узбережжям протягом дня швидко нагрівається, внаслідок чого днем дме бриз (морський бриз). Клітина конвекції змінюється вночі, створюючи офшорний вітерець.

Вправи на підкріплення

Намалюйте конвекційні комірки поблизу узбережжя як вдень, так і вночі, щоб продемонструвати, як бризові та офшорні бризи створюються при диференціальному нагріванні океану та берегової лінії. Вкажіть відносну температуру води, суші та повітря вдень та вночі.

Вітер також виробляють конвекційні комірки глобального масштабу. На наступному графіку показані конвекційні комірки глобального масштабу, які рухають вітри в різних широтах. Зверніть увагу, що обертання Землі в поєднанні з інерцією повітряної маси створює ефект Коріоліса, який змушує напрямок вітру відхилятися від напрямку, вказаного внизу конвекційної комірки. Ви можете помітити, що широти великих пустель і лісів світу збігаються з межами між клітинами. Чому ми дізнаємося з наступного розділу.

Клітини глобальної конвекції та пов'язані з ними вітри. Кредит зображення:

Передбачуваність і стабільність конвекційних комірок великого масштабу дозволяє все ширше впроваджувати вітрогенераторні електростанції. Оскільки наші навички прогнозування продовжують вдосконалюватися, поряд з ефективністю турбін та технологією накопичення енергії, енергія вітру стає життєздатним варіантом для деяких громад.

Офшорна вітряна електростанція Burbo Bank з Північним Уельсом на задньому плані. Кредит на зображення: офшорна ферма WindFarm від Burbo Bank, виконана Яном Мантелем через Wikimedia Commons

Клітини конвекції навіть відповідають за переміщення материків:

Анотована ілюстрація, що показує мантійну конвекцію та її відношення до тектоніки плит. Кредит зображення: Конвекція мантії, проведена Центром полярних досліджень Берда при Університеті штату Огайо, через Науково-освітній ресурсний центр при коледжі Карлтон.

"Таблиця холоду вітру" Національної служби погоди, NOAA знаходиться у відкритому доступі↵
"Тепловий шлейф від людської руки" Гері Сеттлза [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], з Вікімедіа-спільноти↵
Engineering ToolBox, (2003). Конвективна тепловіддача. [Інтернет] Доступно за адресою: https://www.engineeringtoolbox.com/convective-heat-transfer-d_430.html [Доступ 18.01.2019] ↵
"Харчові потреби в холоді та у висотних середовищах: заявки на військовий персонал у польових операціях" Ендрю Дж. Янга, Майкла Н. Савки та Кента Б. Пандольфа, Національний центр біотехнологічної інформації, Національний інститут охорони здоров'я Institu
"Вікна, наповнені газом" Інституту електронних наук Джона Даттона, Державний коледж наук про Землю та мінерали Пенна, ліцензований під CC BY-NC-SA 4.0↵
OpenStax, фізика коледжу. OpenStax CNX. 8 листопада 2018 р. Http://cnx.org/contents/[email protected]↵
"Чи прозоре хутро білого ведмедя?" by Everyday Mysteries, Бібліотека Конгресу знаходиться у відкритому доступі↵
Earth Global Circulation-en від Kaidor [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], через Wikimedia Commons↵
Офшорна вітряна ферма Burbo Bank від Яна Мантеля [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], через Wikimedia Commons↵

Збільшення швидкості втрат тепла від предметів, які тепліші за повітря, спричинених потоком повітря по поверхні об'єкта.

Умова наявності температури тіла значно нижчої за норму.

міра середньої кінетичної енергії частинок (наприклад, атомів і молекул) в об'єкті, яка визначає, наскільки відносно жарко або холодно почувається об'єкт

кількість теплоти (теплової енергії, переданої через різницю температур), яка залишає об'єкт за одиницю часу

міра здатності матеріалу проводити тепло

процес, при якому тепло або безпосередньо передається через речовину при різниці температур між прилеглими областями без руху матеріалу

передача тепла внаслідок руху молекул рідини під впливом зовнішніх факторів, відмінних від теплового розширення.

математичне пояснення зв'язку між виміряними значеннями, яке використовується для прогнозування

кількість теплової енергії, що передається в наш, поза об’єктом як тепло, за одиницю часу

виміряти, наскільки добре теплова енергія передається як тепло для даної температури і площі контакту

пройдена відстань за одиницю часу

приблизне значення, отримане без проведення вимірювань за допомогою попередніх знань та припущень.

ігнорування деякої компіляції з метою спрощення аналізу або продовження, навіть якщо інформації бракує

швидкість, з якою хімічна потенційна енергія перетворюється на теплову енергію тілом, батареями або тепловими двигунами. Крім того, швидкість, з якою теплова енергія перетворюється на електричну енергію тепловою електростанцією.

енергія, що зберігається в мікроскопічному русі атомів і молекул (мікроскопічна кінетична енергія)

Передача тепла внаслідок руху рідини, викликаного тепловим розширенням рідини

Збільшення зміни об’єму об’єкта внаслідок зміни температури.

вимірювання кількості речовини в об'єкті, здійснене шляхом визначення його стійкості до змін руху (інерційної маси) або сили тяжіння, прикладеної до нього іншою відомою масою з відомої відстані (гравітаційна маса). Гравітаційна маса та інерційна маса здаються рівними.

кількість місця, наприклад обсяг у коробці або обсяг, зайнятий предметом.

відношення між кількістю матеріалу та займаним ним простором, обчислене як маса, поділена на об’єм.

зображення, створене заміною змін температури в видимих кольорових варіаціях, що визначаються вимірюванням змін інтенсивності теплового випромінювання та/або довжин хвиль

циклічний потік рідини, викликаний природною конвекцією

Кількість теплової енергії, що передається через різницю температур.

оренду об’єкта протистояти змінам у русі

ефект, при якому маса, що рухається в обертовій системі, поводиться так, ніби відчуває силу (силу Коріоліса), яка діє перпендикулярно напрямку руху. На землі ефект має тенденцію відхиляти рухомі об’єкти праворуч у північній півкулі та ліворуч у південній частині, і важливий для формування циклонічних погодних систем

відношення виконаної корисної роботи до загальної витраченої енергії

швидкість виконання роботи, швидкість перетворення енергії з однієї форми в іншу