Konvektion

Simulation der thermischen Konvektion in der Erdmantel. Heiße Bereiche sind rot, kalte Bereiche sind blau dargestellt. Ein heißes, weniger dichtes Material am Boden bewegt sich nach oben und ebenfalls kaltes Material von oben bewegt sich nach unten.

Konvektion ist Single oder Mehrfachhase Flüssigkeitsströmung das kommt vor spontan aufgrund der kombinierten Auswirkungen von Materialeigenschaft Heterogenität und Körperkräfte auf einen Fluid, am häufigsten Dichte und Schwere (sehen Auftrieb). Wenn die Ursache der Konvektion nicht spezifiziert ist, Konvektion aufgrund der Auswirkungen von Wärmeausdehnung und Auftrieb kann angenommen werden. Die Konvektion kann auch in Soft stattfinden Festkörper oder Gemische wo Partikel fließen können.

Konvektiver Fluss kann sein vorübergehend (wie wenn a Mehrfachhase Mischung von Öl und Wasser trennt) oder Gleichgewichtszustand (sehen Konvektionszelle). Die Konvektion kann zu verdanken sein Gravitation, elektromagnetisch oder fiktiv Körperkräfte. Wärmeübertragung durch natürliche Konvektion spielt eine Rolle in der Struktur von Erdatmosphäre, es ist Ozeane, und sein Mantel. Diskrete konvektive Zellen in der Atmosphäre können durch identifiziert werden durch Wolkenmit stärkerer Konvektion, die dazu führen Gewitter. Die natürliche Konvektion spielt auch eine Rolle in Sternphysik. Die Konvektion wird häufig durch den Haupteffekt kategorisiert oder beschrieben, der den konvektiven Fluss verursacht, z. Wärmekonvektion.

Wärmebild eines neu beleuchteten Ghillie Kessel. Die aus dem Konvektionsstrom resultierende Heißluftwolke ist sichtbar.

Konvektion kann nicht in den meisten Feststoffen stattfinden, da weder Schüttstromflüsse noch eine signifikante Verbreitung der Materie stattfinden können.

Terminologie

Das Wort Konvektion hat unterschiedliche, aber verwandte Verwendungen in verschiedenen wissenschaftlichen oder technischen Kontexten oder Anwendungen. Der breitere Sinn ist in Strömungsmechanik, wo Konvektion bezieht sich auf die Bewegung von Flüssigkeit, die durch Dichte (oder andere Eigenschaften) Differenz angetrieben wird.^[1][2]

Im Thermodynamik "Konvektion" bezieht sich oft auf Wärmeübertragung durch Konvektion, wo die vorangestellte variante natürliche Konvektion verwendet wird, um das Konvektionskonzept der Flüssigkeitsmechanik (in diesem Artikel) von der konvektiven Wärmeübertragung zu unterscheiden.^[3]

Einige Phänomene, die zu einem Effekt führen, ähnlich der einer konvektiven Zelle, können (ungenau) auch als eine Form der Konvektion bezeichnet werden, z. Thermokapilliare Konvektion und Granulare Konvektion.

Mechanismen

Konvektion kann in der Flüssigkeiten Auf allen Maßstäben größer als ein paar Atome. Es gibt eine Vielzahl von Umständen, unter denen die für die Konvektion erforderlichen Kräfte auftreten, was zu verschiedenen Arten der Konvektion führt, die nachstehend beschrieben werden. In großer Hinsicht entsteht die Konvektion aufgrund Körperkräfte im Flüssigkeit wirken, wie z. B. Schwerkraft.

Natürliche Konvektion

Diese Farbe Schlieren Bild zeigt Wärmekonvektion stammt von der Wärmeleitung von einer menschlichen Hand (in Silhouette) bis zur umgebenden noch Atmosphäre.

Natürliche Konvektion ist eine Art von Strömung, Bewegung einer Flüssigkeit wie Wasser oder Gas wie Luft, bei der die Flüssigkeitsbewegung von einer externen Quelle (wie einer Pumpe, Lüfter, Saugvorrichtung usw.) jedoch nicht von einigen Teilen erzeugt wird der Flüssigkeit ist schwerer als andere Teile. In den meisten Fällen führt dies zu natürliche ZirkulationDie Fähigkeit eines Fluids in einem System, kontinuierlich mit Schwerkraft und möglichen Veränderungen der Wärmeenergie zu zirkulieren. Die treibende Kraft für die natürliche Konvektion ist die Schwerkraft. Wenn beispielsweise eine Schicht kalt dichter Luft auf heißerer, weniger dichtes Luft befindet, zieht sich die Schwerkraft stärker auf der dichteren Schicht oben, sodass sie fällt, während die heißere weniger dichte Luft aufsteigt, um seinen Platz einzunehmen. Dies erzeugt zirkulierende Fluss: Konvektion. Da es auf der Schwerkraft angewiesen ist, gibt es keine Konvektion im freien Fall (Trägheit) Umgebungen wie die der umlaufenden internationalen Raumstation. Eine natürliche Konvektion kann auftreten, wenn es heiße und kalte Regionen von Luft oder Wasser gibt, da sowohl Wasser als auch Luft bei Erhitzen weniger dicht werden. Zum Beispiel tritt sie in den Weltmeeren auch aufgrund von Salzwasser schwerer als frisches Wasser auf, sodass eine Schicht Salzwasser auf einer Schicht frischer Wasser auch Konvektion verursacht.

Die natürliche Konvektion hat von Forschern aufgrund ihrer Präsenz sowohl in der Natur als auch in der technischen Anwendungen viel Aufmerksamkeit erregt. In der Natur sind Konvektionszellen aus Luft, die über dem Sonnenlicht gewärmtes Land oder Wasser auferstehen, ein wichtiges Merkmal aller Wettersysteme. Konvektion ist auch in der steigenden Wolke von heißer Luft von zu sehen Feuer, Plattentektonik, ozeanische Strömungen (Thermohalinkreislauf) und Meerwindbildung (wo auch die Aufwärtskonvektion durch modifiziert wird durch Coriolis Streitkräfte). In technischen Anwendungen wird die Konvektion häufig bei der Bildung von Mikrostrukturen während der Abkühlung von geschmolzenen Metallen und Flüssigkeitsströmen um abgeschrägte Wärmeableitungen und Solarzeiche visualisiert. Eine sehr häufige industrielle Anwendung natürlicher Konvektion ist die freie Luftkühlung ohne die Hilfe von Ventilatoren: Dies kann auf kleinen Maßstäben (Computerchips) bis zu großen Prozessgeräten geschehen.

Die natürliche Konvektion wird mit einer größeren Variation der Dichte zwischen den beiden Flüssigkeiten wahrscheinlicher und schneller sein, eine größere Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft, die die Konvektion oder einen größeren Abstand durch das Konvektionsmedium antreibt. Die natürliche Konvektion wird weniger wahrscheinlich und weniger schnell sein, wobei schneller Diffusion (dadurch den thermischen Gradienten, der die Konvektion verursacht), oder eine viskoseere (klebrige) Flüssigkeit weg.

Der Einsetzen der natürlichen Konvektion kann durch die bestimmt werden Rayleigh -Nummer (Ra).

Beachten Sie, dass Unterschiede in der Auftrieb innerhalb einer Flüssigkeit aus anderen Gründen als Temperaturschwankungen auftreten können. In diesem Fall wird die Fluidbewegung aufgerufen Gravitationskonvektion (siehe unten). Alle Arten von lebhafter Konvektionen, einschließlich natürlicher Konvektion, treten jedoch nicht auf Mikrogravitation Umgebungen. Alle erfordern das Vorhandensein einer Umgebung, die Erfahrungen erlebt G-Force (richtige Beschleunigung).

Der Unterschied von Dichte In der Flüssigkeit ist der wichtigste Antriebsmechanismus. Wenn die Dichteunterschiede durch Hitze verursacht werden, wird diese Kraft als "thermischer Kopf" oder "thermischer Antriebskopf" bezeichnet. Ein für den natürlicher Zirkulation ausgelegter Flüssigkeitssystem hat eine Wärmequelle und a Kühlkörper. Jedes davon steht in Kontakt mit einigen Flüssigkeiten im System, aber nicht alles. Die Wärmequelle ist niedriger als der Kühlkörper.

Die meisten Materialien, die bei gemeinsamen Temperaturen flüssig sind dicht. Entsprechend werden sie dichter, wenn sie abgekühlt sind. Bei der Wärmequelle eines natürlichen Kreislaufsystems wird die erhitzte Flüssigkeit leichter als die Flüssigkeit, die sie umgibt, und so steigt. Am Kühlkörper wird die nahe gelegene Flüssigkeit dichter, wenn sie abkühlt, und wird durch Schwerkraft nach unten gezogen. Zusammen erzeugen diese Effekte einen Flüssigkeitsfluss von der Wärmequelle zum Kühlkörper und wieder zurück.

Gravitations- oder lebhafte Konvektion

Gravitationskonvektion ist eine Art natürlicher Konvektion, die durch Auftriebsschwankungen induziert wird, die sich aus anderen Materialeigenschaften als Temperatur ergeben. In der Regel wird dies durch eine variable Zusammensetzung der Flüssigkeit verursacht. Wenn die unterschiedliche Eigenschaft ein Konzentrationsgradienten ist, ist es als bekannt als Lösende Konvektion.^[4] Beispielsweise ist die Gravitationskonvektion bei der Diffusion einer Quelle von Trockensalz nach unten in feuchten Boden aufgrund des Auftriebs von Frischwasser in Salzlösung zu beobachten.^[5]

Variable Salzgehalt In Wasser- und variabler Wassergehalt in Luftmassen sind häufige Ursachen für Konvektion in den Ozeanen und Atmosphäre, die keine Wärme beinhalten oder zusätzliche Faktoren für die Dichte der Zusammensetzung als die Dichteveränderungen durch die thermische Expansion beinhalten (siehe Thermohalinkreislauf). In ähnlicher Weise führt die variable Zusammensetzung im Erdnäher, die noch keine maximale Stabilität und minimale Energie erreicht hat (mit anderen Worten, mit dichtesten Teilen am tiefsten) weiterhin einen Bruchteil der Konvektion von Flüssigkeitsgesteinen und geschmolzenem Metall im Inneren der Erde (siehe unten). .

Die Gravitationskonvektion wie natürliche thermische Konvektion erfordert auch a G-Force Umgebung, um auftreten.

Festkörperkonvektion in Eis

Eiskonvektion auf Pluto Es wird angenommen, dass es in einer weichen Mischung von vorkommt Stickstoffeis und Kohlenmonoxid Eis. Es wurde auch vorgeschlagen für Europa,^[6] und andere Körper im äußeren Sonnensystem.^[7]

Thermomagnetische Konvektion

Thermomagnetische Konvektion kann auftreten, wenn ein externes Magnetfeld auf ein auferlegt wird Ferrofluid mit variieren magnetische Suszeptibilität. In Gegenwart eines Temperaturgradienten führt dies zu einer ungleichmäßigen magnetischen Körperkraft, die zu Flüssigkeitsbewegungen führt. Ein Ferrofluid ist eine Flüssigkeit, die in Gegenwart von a stark magnetisiert wird Magnetfeld.

Verbrennung

In einem Schwerelosigkeit Umwelt, es kann keine Auftriebskräfte geben und daher keine Konvektion möglich, so dass unter vielen Umständen flammen, ohne die Schwerkraft in ihren eigenen Abfallgasen zu ersticken. Thermische Expansions- und chemische Reaktionen, die zu Expansions- und Kontraktionsgasen führen, ermöglichen die Beatmung der Flamme, da Abfallgase durch kühles, frisches, sauerstoffreiches Gas vertrieben werden. Bewegt sich die Niederdruckzonen ein, die erzeugt werden, wenn Flammen-Exponat-Wasser kondensiert.

Beispiele und Anwendungen

Systeme der natürlichen Zirkulation umfassen Tornados und andere Wettersysteme, Meeresströmungenund Haushalt Belüftung. Einige Solarwarmwasserbereiter verwenden natürliche Zirkulation. Das Golfstrom zirkuliert infolge der Verdunstung von Wasser. In diesem Prozess nimmt das Wasser in Salzgehalt und Dichte zu. Im Nordatlantik wird das Wasser so dicht, dass es zu sinken beginnt.

Konvektion tritt in großem Maßstab in auf AtmosphärenOzeane, Ozeane, Planetary Mantelund es bietet den Mechanismus der Wärmeübertragung für einen großen Teil der äußersten Innenräume unserer Sonne und aller Sterne. Die Flüssigkeitsbewegung während der Konvektion kann unsichtbar langsam sein, oder sie kann offensichtlich und schnell sein, wie in a Hurrikan. Auf astronomischen Skalen wird angenommen, dass die Konvektion von Gas und Staub in den Akkretionsscheiben von vorkommt Schwarze Löcher, bei Geschwindigkeiten, die sich dem Licht genau nähern können.

Demonstrationsexperimente

Wärmekreislauf von Luftmassen

Die thermische Konvektion in Flüssigkeiten kann durch Platzierung einer Wärmequelle nachgewiesen werden (z. B. a Bunsenbrenner) an der Seite eines Behälters mit einer Flüssigkeit. Durch das Hinzufügen eines Farbstoffs zum Wasser (z. B. die Färbung von Nahrungsmitteln) ermöglicht die Visualisierung des Flusses.^[8][9]

Ein weiteres häufiges Experiment zur Nachweis von thermischen Konvektionen in Flüssigkeiten besteht darin, offene Behälter aus heißer und kalter Flüssigkeit zu tauchen, die mit Farbstoff in einen großen Behälter mit derselben Flüssigkeit ohne Farbstoff bei einer Zwischentemperatur gefärbt sind (z. Wasser in einem blau gefärbten Kühlschrank gekühlt und in einen klaren Wassertank bei Raumtemperatur abgesenkt).^[10]

Ein dritter Ansatz besteht darin, zwei identische Gläser zu verwenden, die mit heißem Wasser eine Farbe und kaltes Wasser einer anderen Farbe gefüllt sind. Ein Glas wird dann vorübergehend versiegelt (z. B. mit einem Stück Karte), invertiert und über das andere platziert. Wenn die Karte entfernt wird, wird das Glas, das die wärmere Flüssigkeit enthält, oben keine Konvektion auftritt. Wenn das Glas mit einer kälteren Flüssigkeit oben platziert wird, bildet sich ein Konvektionsstrom spontan.^[11]

Die Konvektion in Gasen kann unter Verwendung einer Kerze in einem versiegelten Raum mit Einlass- und Abgasanschluss nachgewiesen werden. Die Wärme aus der Kerze führt zu einem starken Konvektionsstrom, der mit einem Flussindikator wie Rauch aus einer anderen Kerze in der Nähe des Einlass- bzw. Auspuffbereichs nachgewiesen werden kann.^[12]

Double diffusive convection

Double diffusive convection

Konvektionszellen

Konvektionszellen in einem Schwerkraftfeld

A Konvektionszelle, auch bekannt als a Bénard -Zelle, ist ein charakteristisches Fluidflussmuster in vielen Konvektionssystemen. Ein steigender Flüssigkeitskörper verliert typischerweise Wärme, da er auf eine kältere Oberfläche trifft. In Flüssigkeit tritt dies auf, weil es durch direkten Austausch Wärme mit kälterer Flüssigkeit tauscht. Im Beispiel der Erdatmosphäre tritt dies auf, weil sie Wärme ausstrahlt. Aufgrund dieses Wärmeverlusts wird die Flüssigkeit dichter als die darunter liegende Flüssigkeit, die immer noch steigt. Da es nicht durch die steigende Flüssigkeit absteigen kann, bewegt es sich zur Seite. In einiger Entfernung überwindet seine Abwärtskraft die steigende Kraft darunter, und die Flüssigkeit beginnt zu steigen. Wenn es absteigt, erwärmt es sich wieder und der Zyklus wiederholt sich.

Atmosphärische Konvektion

Atmosphärische Zirkulation

Idealisierte Darstellung der globalen Zirkulation auf der Erde

Atmosphärische Zirkulation ist die große Luftbewegung von Luft und ist ein Mittel, mit dem Wärmeenergie ist auf der Oberfläche der verteilt Erdezusammen mit dem viel langsameren (verzögerten) Meereszirkulationssystem. Die groß angelegte Struktur der Atmosphärische Zirkulation variiert von Jahr zu Jahr, aber die grundlegende klimatologische Struktur bleibt ziemlich konstant.

Breitenkreislauf tritt auf, weil erfindungsgezogene Solar Strahlung pro Flächeneinheit ist am höchsten Wärmäquator, und nimmt ab als die Breite Erhöht sich und erreicht minima an den Polen. Es besteht aus zwei primären Konvektionszellen, die Hadley -Zelle und die Polarwirbel, mit dem Hadley -Zelle eine stärkere Konvektion aufgrund der Freilassung von erleben latente Hitze Energie von Kondensation von Wasserdampf in höheren Höhen während der Wolkenbildung.

Längsschnittzirkulation dagegen kommt zustande, weil die Ozean hat eine höhere spezifische Wärmekapazität als Land (und auch Wärmeleitfähigkeit, damit die Wärme weiter unter der Oberfläche eindringen kann) und dadurch mehr absorbiert und freigibt Wärme, aber die Temperatur ändert sich weniger als Land. Dies bringt die Meeresbrise, die vom Wasser kühlt, am Tag kühlt, und trägt die Landbrise, die durch Kontakt mit dem Boden gekühlte Luft in der Nacht auf See abkühlt. Die Längszirkulation besteht aus zwei Zellen, der Walker Circulation und El Niño / Southern Oscillation.

Wetter

Wie Feins produziert wird

Einige lokalere Phänomene als die globale atmosphärische Bewegung sind auch auf Konvektion zurückzuführen, einschließlich Wind und einige der Wasserkreislauf. Zum Beispiel a Feindwind ist ein Down-Slope-Wind, der auf der Abdrehseite einer Bergkette auftritt. Es resultiert aus dem adiabatisch Luftwärme, die den größten Teil seiner Feuchtigkeit auf Windhängen fallen ließ.^[13] Aufgrund der unterschiedlichen adiabatischen Laps -Raten von feuchter und trockener Luft wird die Luft an den Lee -Hängen wärmer als in der gleichen Höhe auf den Windhängen.

A Thermalsäule (oder thermisch) ist ein vertikaler Teil der steigenden Luft in den unteren Höhen der Erdatmosphäre. Thermik werden durch die ungleiche Erheizung der Erdoberfläche durch Sonnenstrahlung erzeugt. Die Sonne wärmt den Boden, was wiederum die Luft direkt darüber erwärmt. Die wärmere Luft dehnt sich aus, wird weniger dicht als die umgebende Luftmasse und schafft a thermisch niedrig.^[14][15] Die Masse der leichteren Luft steigt und kühlt sich durch Expansion bei niedrigeren Luftdrucken ab. Es steigt auf, wenn es auf die gleiche Temperatur wie die umgebende Luft abgekühlt ist. Mit einer Wärme ist eine Abwärtsströmung, die die Wärmeläude umgibt, nach unten. Das sich nach unten bewegende Äußere wird durch kältere Luft verursacht, die oben auf der Wärme verdrängt wird. Ein weiterer konvektionsgetriebener Wettereffekt ist der Meeresbriese.^[16][17]

Stadien des Lebens eines Gewitters.

Warme Luft hat eine niedrigere Dichte als kühle Luft, so dass warme Luft in kühleren Luft steigt.^[18] ähnlich zu Heißluftballons.^[19] Wolken bilden sich als relativ wärmere Luft, die Feuchtigkeit in kühlere Luft transportiert. Wenn die feuchte Luft steigt, kühlt sie ab und verursacht einige der Wasserdampf im aufsteigenden Luftpaket zu kondensieren.^[20] Wenn die Feuchtigkeit kondensiert, füllt sie Energie bekannt als latente Hitze Kondensation, die es dem steigenden Luftpaket ermöglicht, weniger abzukühlen als seine umgebende Luft,^[21] Fortsetzung des Aufstiegs der Wolke. Wenn genug Instabilität ist in der Atmosphäre vorhanden, dieser Prozess wird lange genug fortgesetzt Cumulonimbus -Wolken zu bilden, die Blitz und Donner unterstützen. Im Allgemeinen erfordern Gewitter drei Bedingungen, um sich zu bilden: Feuchtigkeit, instabile Luftmasse und eine Hebekraft (Hitze).

Alle Gewitterunabhängig vom Typ gehen Sie drei Phasen durch: die Entwicklungsstufe, das reife Stufe, und die Dissipationsphase.^[22] Das durchschnittliche Gewitter hat einen Durchmesser von 24 km (15 mi). Abhängig von den in der Atmosphäre vorhandenen Bedingungen dauern diese drei Stufen durchschnittlich 30 Minuten.^[23]

Ozeanische Zirkulation

Meeresströmungen

Solarstrahlung wirkt sich auf die Ozeane aus: Warmes Wasser aus dem Äquator neigt dazu, in Richtung der zu zirkulieren Stangen, während kalter polarer Wasser zum Äquator führt. Die Oberflächenströme werden zunächst durch Oberflächenwindbedingungen diktiert. Das Passatwinde in den Tropen nach Westen blasen,^[24] und die Westerlies Blasen Sie mitten in der Mitte des Latitudes nach Osten.^[25] Dieses Windmuster gilt a betonen zur subtropischen Meeresoberfläche mit negativ Locken über den Nördliche Hemisphäre,^[26] und die Rückseite über die Südlichen Hemisphäre. Das resultierende Sverdrup -Transport ist äquatorwärts.^[27] Wegen der Erhaltung von potenzielle Wirbel verursacht durch die mäpsen bewegenden Winde auf der Subtropischer KammDie westliche Peripherie und die erhöhte relative Wirbelwesen des Poleward -Wassers, der Transport wird durch einen schmalen, beschleunigten Poleward -Strom ausgeglichen hohe Breiten.^[28] Der Gesamtprozess, der als westliche Intensivierung bezeichnet wird, führt dazu, dass Strömungen an der westlichen Grenze eines Meeresbeckens stärker sind als die an der östlichen Grenze.^[29]

Auf dem Weg von Poleward wird warmes Wasser, das von starkem warmem Wasser transportiert wird, eine Verdunstungskühlung durch. Die Kühlung ist windgetrieben: Wind bewegt sich über Wasser ab und verursacht auch Verdunstungeine salzigere Salzlösung hinterlassen. Dabei wird das Wasser salsiger und dichter. und abnimmt die Temperatur. Sobald sich Meereis bildet, werden Salze aus dem Eis entfernt, ein Prozess, der als Sole -Ausschluss bezeichnet wird.^[30] Diese beiden Prozesse produzieren dichter und kälter Wasser. Das Wasser über den Norden Atlantischer Ozean wird so dicht, dass es durch weniger salziges und weniger dichter Wasser sinkt. (Dies Offene Ozeankonvektion ist nicht anders als dem von a Lava Lampe.) Dieser Abkleber aus schwerem, kaltem und dichter Wasser wird Teil der Nordatlantischer Tiefwasser, ein südlicher Bach.^[31]

Mantelkonvektion

Ein Ozeanische Platte wird durch Aufschwung (links) hinzugefügt und bei a konsumiert Subduktion Zone (rechts).

Mantelkonvektion ist die langsam schleichende Bewegung des felsigen Mantels der Erde, die durch Konvektionsströme verursacht wird, die Wärme vom Inneren der Erde zur Oberfläche tragen.^[32] Es ist eine von 3 treibenden Kräften, die dazu führen, dass sich tektonische Platten um die Erdoberfläche bewegen.^[33]

Die Erdoberfläche ist in eine Reihe von unterteilt tektonisch Platten, die kontinuierlich an ihren gegenüberliegenden Plattengrenzen erzeugt und konsumiert werden. Schaffung (Akkretion) tritt auf, wenn der Mantel zu den wachsenden Rändern einer Platte hinzugefügt wird. Dieses heiße Material kühlt durch Leitung und Konvektion von Wärme ab. An den Verbrauchskanten der Platte hat sich das Material thermisch zu dicht zusammengetan, und es sinkt im Subduktionsprozess in einem Ozeangraben unter seinem eigenen Gewicht. Dieses unterfassende Material sinkt in der Erde in der Erde, wo es verboten ist, weiter zu sinken. Die subduktierte ozeanische Kruste löst den Vulkanismus aus.

Konvektion innerhalb Erdmantel ist die treibende Kraft für Plattentektonik. Mantelkonvektion ist das Ergebnis eines thermischen Gradienten: Der untere Mantel ist heißer als der Obermantelund ist daher weniger dicht. Dies legt zwei primäre Arten von Instabilitäten fest. Im ersten Typ steigen Federn aus dem unteren Mantel und entsprechende instabile Regionen von Lithosphäre Tropf zurück in den Mantel. In der zweiten Art stürzen sich unterwirkende ozeanische Platten (die größtenteils die obere thermische Grenzschicht des Mantels bilden) zurück in den Mantel und bewegen sich nach unten in Richtung des Kernmantelgrenze. Die Mantelkonvektion erfolgt mit Zentimetern pro Jahr und nimmt die Reihenfolge von Hunderten von Millionen von Jahren an, um einen Konvektionszyklus abzuschließen.

Neutrino -Flussmessungen aus dem Erdkern (siehe Kamland) Zeigen Sie die Quelle von etwa zwei Dritteln der Wärme im inneren Kern ist die radioaktiver Zerfall von ⁴⁰K, Uran und Thorium. Dies hat es der Plattentektonik auf der Erde ermöglicht, weit länger weiterzumachen als wenn sie einfach von der Hitze zurückgeführt worden wäre, die aus der Bildung der Erde übrig geblieben wäre. oder mit Hitze aus Gravitationspotentialergie, infolge der physischen Umständigkeit dichterer Teile des Innenraums der Erde in Richtung der Mitte des Planeten (d. H. Eine Art längerer Fallen und Absetzen).

Kamineffekt

Das Kamineffekt oder Schornsteineffekt ist die Bewegung von Luft in und aus Gebäuden, Schornsteinen, Rauchgasstapeln oder anderen Behältern aufgrund von Auftrieb. Der Auftrieb tritt aufgrund eines Unterschieds in der Luftdichte in Innenräumen zu Außenseiter auf, die sich aus Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschieden ergeben. Je größer die thermische Differenz und die Höhe der Struktur, desto größer die Auftriebskraft und damit der Stapeleffekt. Der Stackeffekt hilft, natürliche Belüftung und Infiltration zu fördern. Etwas Kühltürme nach diesem Prinzip arbeiten; Ähnlich das Solarkaufturm ist ein vorgeschlagenes Gerät zur Erzeugung von Strom basierend auf dem Stapeleffekt.

Sternphysik

Eine Illustration der Struktur der Sonne und ein roter Riese Star, der ihre konvektiven Zonen zeigt. Dies sind die körnigen Zonen in den äußeren Schichten dieser Sterne.

Die Konvektionszone eines Sterns ist der Radienbereich, in dem Energie hauptsächlich durch Konvektion transportiert wird.

Granulat auf der Photosphäre der Sonne sind die sichtbaren Oberteile von Konvektionszellen in der Photosphäre, die durch die Konvektion von verursacht werden Plasma in der Photosphäre. Der steigende Teil des Granulat befindet sich in der Mitte, in der das Plasma heißer ist. Die äußere Kante des Granulat ist aufgrund des kühleren absteigenden Plasmas dunkler. Ein typischer Granulat hat einen Durchmesser in der Größenordnung von 1.000 Kilometern und dauert jeweils 8 bis 20 Minuten, bevor Sie sich aufgelöst haben. Unterhalb der Photosphäre befindet sich eine viel größere "Supergranula" mit einem Durchmesser von bis zu 30.000 Kilometern mit einer Lebensdauer von bis zu 24 Stunden.

Wasserkonvektion bei Gefrierentemperaturen

Wasser ist eine Flüssigkeit, die der Boussinesq -Näherung nicht befolgt.^[34] Dies liegt daran, dass seine Dichte nichtlinear mit der Temperatur variiert, wodurch der thermische Expansionskoeffizient in der Nähe der Gefrierentemperaturen inkonsistent ist.^[35][36] Das Wasserdichte Erreicht ein Maximum bei 4 ° C und nimmt ab, wenn die Temperatur abweicht. Dieses Phänomen wird durch Experiment und numerische Methoden untersucht.^[34] Wasser stagniert zunächst bei 10 ° C innerhalb eines quadratischen Hohlraums. Es wird zwischen den beiden vertikalen Wänden unterschiedlich erhitzt, wo die linken und rechten Wände bei 10 ° C bzw. 0 ° C gehalten werden. Die Anomalie der Dichte manifestiert sich in ihrem Flussmuster.^{[34][37][38][39]} Wenn das Wasser an der rechten Wand abgekühlt wird, nimmt die Dichte zu, was den Fluss nach unten beschleunigt. Wenn sich der Fluss entwickelt und das Wasser weiter abkühlt, führt die Abnahme der Dichte zu einem Rezirkulationsstrom in der unteren rechten Ecke des Hohlraums.

Ein weiterer Fall dieses Phänomens ist das Ereignis von Unterkühlung, wo das Wasser auf unterfrierende Temperaturen abgekühlt wird, aber nicht sofort einfrieren beginnt.^[36][40] Unter den gleichen Bedingungen wie zuvor wird der Fluss entwickelt. Danach wird die Temperatur der rechten Wand auf –10 ° C verringert. Dies führt dazu, dass das Wasser an dieser Wand unterkühlt wird, einen gegen den Uhrzeigersinn entsprechenden Fluss erzeugt und zunächst den warmen Strom überwältigt.^[34] Diese Wolke wird durch eine Verzögerung in der verursacht Keimbildung des Eiss.^[34][36][40] Sobald sich Eis bildet, kehrt der Fluss wie zuvor zu einem ähnlichen Muster zurück, und die Verfestigung breitet sich allmählich aus, bis der Durchfluss saniert wird.^[34]

Kernreaktoren

In einem Kernreaktor, natürliche Zirkulation kann ein Designkriterium sein. Es wird erreicht, indem Turbulenzen und Reibung im Flüssigkeitsfluss reduziert werden (dh minimieren Kopfverlust) und durch Bereitstellung einer Möglichkeit, inoperative Pumpen vom Flüssigkeitsweg zu entfernen. Außerdem muss der Reaktor (als Wärmequelle) physikalisch niedriger sein als die Dampfgeneratoren oder -Turbinen (die Kühlkörper). Auf diese Weise stellt die natürliche Zirkulation sicher, dass die Flüssigkeit weiter fließt, solange der Reaktor heißer ist als der Kühlkörper, selbst wenn die Pumpen nicht mit Strom versorgt werden können. Bemerkenswerte Beispiele sind die S5g ^[41][42][43] und S8g^[44][45][46] Marinereaktoren der Vereinigten Staaten, die für einen erheblichen Teil der vollen Leistung unter natürlicher Zirkulation ausgelegt waren und diese Antriebsanlagen beruhigen. Das S6G -Reaktor Ich kann nicht unter natürlicher Zirkulation mit Strom arbeiten, kann es aber verwenden, um die Notkühlung beim Herunterfahren aufrechtzuerhalten.

Durch die Natur der natürlichen Zirkulation bewegen sich die Flüssigkeiten normalerweise nicht sehr schnell, aber dies ist nicht unbedingt schlecht, da hohe Durchflussraten für einen sicheren und effektiven Reaktorbetrieb nicht wesentlich sind. Bei modernen Designkernreaktoren ist die Umkehrung der Durchfluss fast unmöglich. Alle Kernreaktoren, die auch für die natürliche Zirkulation als Hauptmethode für die Flüssigkeitskreislauf verwendet werden, haben Pumpen, die die Flüssigkeit zirkulieren können, wenn die natürliche Zirkulation nicht ausreicht.

Mathematische Konvektionsmodelle

Eine Reihe dimensionsloser Begriffe wurden abgeleitet, um die Konvektion zu beschreiben und vorherzusagen, einschließlich der Archimedes -Nummer, Grashof -Nummer, Richardson -Nummer, und die Rayleigh -Nummer.

Bei gemischten Konvektionen (natürlicher und gezwungener gemeinsamer) möchte man oft wissen, wie viel von der Konvektion auf externe Einschränkungen zurückzuführen ist, wie z. B. die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Pumpe .

Die relativen Größen der Grashof -Nummer und das Quadrat des Reynolds Nummer Bestimmen Sie, welche Form der Konvektion dominiert. Wenn ${\ displaystyle {\ rm {gr/re^{2} \ gg 1}}}$, erzwungene Konvektion kann vernachlässigt werden, während wenn ${\ displayStyle {\ rm {gr/re^{2} \ ll 1}}}$, natürliche Konvektion kann vernachlässigt werden. Wenn das Verhältnis, bekannt als das Richardson -Nummer, ist ungefähr eins, dann müssen sowohl erzwungene als auch natürliche Konvektion berücksichtigt werden.

Beginn

Das Einsetzen der natürlichen Konvektion wird durch die bestimmt Rayleigh -Nummer (Ra). Dies dimensionslose Zahl wird gegeben von

$oder$

wo

• ${\ displayStyle \ Delta \ rho}$ ist der Unterschied in der Dichte zwischen den beiden Mischungspaketen
• ${\ displayStyle g}$ ist der Einheimische Schwerkraftbeschleunigung
• ${\ displayStyle l}$ ist die charakteristische Längeskala der Konvektion: zum Beispiel die Tiefe des Kochtopfs
• ${\ displayStyle d}$ ist der Diffusivität des Merkmals, das die Konvektion verursacht, und
• ${\ displayStyle \ mu}$ ist der dynamische Viskosität.

Die natürliche Konvektion ist wahrscheinlicher und/oder schneller mit einer größeren Variation der Dichte zwischen den beiden Flüssigkeiten, einer größeren Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft, die die Konvektion antreibt, und/oder eine größere Entfernung durch das konvektierende Medium. Die Konvektion ist weniger wahrscheinlich und/oder weniger schnell, wobei schneller Diffusion (dadurch den Gradienten, der die Konvektion verursacht), und/oder eine viskoseere (klebrige) Flüssigkeit verteilt.

Für die thermische Konvektion aufgrund des Erhitzens von unten, wie im obigen Kochtopf beschrieben, wird die Gleichung für die thermische Expansion und thermische Diffusivität modifiziert. Dichteschwankungen aufgrund der thermischen Expansion sind gegeben durch:

${\ displayStyle \ Delta \ rho = \ rho _ {0} \ Beta \ Delta T}$

wo

• ${\ displayStyle \ rho _ {0}}$ ist die Referenzdichte, die normalerweise als durchschnittliche Dichte des Mediums ausgewählt wurde,
• ${\ displayStyle \ Beta}$ ist der der Wärmeausdehnungskoeffizient, und
• ${\ displayStyle \ Delta T}$ ist der Temperaturunterschied über das Medium.

Die allgemeine Diffusivität, ${\ displayStyle d}$, wird neu definiert als Wärmeleitzahl, ${\ displayStyle \ alpha}$.

${\ displayStyle d = \ alpha}$

Das Einsetzen dieser Substitutionen erzeugt eine Rayleigh -Zahl, mit der die thermische Konvektion vorhergesagt werden kann.^[47]

$oder$

Turbulenz

Die Tendenz eines bestimmten natürlich konvektiven Systems zur Turbulenz hängt von der Grashof -Nummer (GR).^[48]

${\ displayStyle gr = {\ frac {g \ beta \ delta tl ^{3}} {\ nu ^{2}}}}$

In sehr klebrigen, viskosen Flüssigkeiten (groß ν), Fluidbewegung ist eingeschränkt und die natürliche Konvektion wird nicht turbulent sein.

Nach der Behandlung des vorherigen Unterabschnitts ist die typische Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Reihenfolge von ${\ displaystyle g \ delta \ rho l^{2}/\ mu}$bis zu einem numerischen Faktor abhängig von der Geometrie des Systems. Daher kann die Grashof -Zahl als angesehen werden Reynolds Nummer mit der Geschwindigkeit der natürlichen Konvektion, die die Geschwindigkeit in der Formel der Reynolds -Nummer ersetzt. In der Praxis, wenn sie sich auf die Reynolds -Nummer bezieht, wird jedoch davon ausgegangen, dass man die erzwungene Konvektion in Betracht zieht und die Geschwindigkeit als die Geschwindigkeit angesehen wird, die durch externe Einschränkungen diktiert wird (siehe unten).

Verhalten

Das Grashof -Nummer kann für eine natürliche Konvektion formuliert werden, die durch a auftritt Konzentrationsgradient, manchmal als thermosolutale Konvektion bezeichnet. In diesem Fall diffundiert eine Konzentration von heißen Flüssigkeiten in eine kalte Flüssigkeit, ähnlich wie Tinte in einen Wasserbehälter mit Wasser diffundiert, um den gesamten Raum zu färben. Dann:

${\ displayStyle gr = {\ frac {g \ beta \ delta cl ^{3}} {\ nu ^{2}}}}$

Die natürliche Konvektion hängt stark von der Geometrie der heißen Oberfläche ab. Es gibt verschiedene Korrelationen, um den Wärmeübertragungskoeffizienten zu bestimmen. Eine allgemeine Korrelation, die für eine Vielzahl von Geometrien gilt, ist

${\ displayStyle nu = \ links [nu_ {0}^{\ frac {1} {2}}+ra^{\ frac {1} {6} \ \ links ({\ frac {f_ {4} \ links (links (links Pr \ right)} {300}} \ right)^{\ frac {1} {6}} \ right]^{2}}$

Der Wert von f₄(PR) wird unter Verwendung der folgenden Formel berechnet

$oder {-16} {9}}}$

Nu ist das Nusselt -Nummer und die Werte von nu₀ und die charakteristische Länge, die zur Berechnung von RA verwendet wird, sind unten aufgeführt (siehe auch Diskussion):

Geometrie	Charakteristische Länge	Nu0
Schiefe Ebene	x (Entfernung entlang der Ebene)	0,68
Geneigte Scheibe	9d/11 (d = Durchmesser)	0,56
Vertikaler Zylinder	x (Höhe des Zylinders)	0,68
Kegel	4x/5 (x = Entfernung entlang der abfallenden Oberfläche)	0,54
Horizontalzylinder	${\ displayStyle \ pi d/2}$ (D = Durchmesser des Zylinders)	0,36${\ displayStyle \ pi}$

Warnung: Die für die angegebenen Werte Horizontalzylinder sind falsch; Siehe Diskussion.

Natürliche Konvektion aus einer vertikalen Platte

Ein Beispiel für eine natürliche Konvektion ist die Wärmeübertragung von einer isothermen vertikalen Platte, die in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, wodurch sich die Flüssigkeit parallel zur Platte bewegt. Dies tritt in jedem System auf, in dem die Dichte der sich bewegenden Flüssigkeit mit der Position variiert. Diese Phänomene werden nur dann von Bedeutung sein, wenn die sich bewegende Flüssigkeit durch erzwungene Konvektion minimal beeinflusst wird.^[49]

Bei der Betrachtung des Flüssigkeitsflusses ist ein Ergebnis des Erhitzens, die folgenden Korrelationen können verwendet werden, vorausgesetzt, die Flüssigkeit ist eine ideale Diatomie, die an eine vertikale Platte bei konstanter Temperatur angrenzt und der Flüssigkeitsfluss ist vollständig laminar.^[50]

Nu_m = 0,478 (gr^0,25)^[50]

Bedeuten Nusselt -Nummer = Nu_m = h_mL/k^[50]

wo

• h_m = mittlerer Koeffizient zwischen der unteren Kante der Platte und jedem Punkt in einem Abstand l (w/m². K)
• L = Höhe der vertikalen Oberfläche (m)
• K = Wärmeleitfähigkeit (w/m. K)

Grashof -Nummer = Gr = $oder$ ^[49][50]

wo

• G = Gravitationsbeschleunigung (m/s²)
• L = Abstand über der unteren Kante (m)
• t_s = Temperatur der Wand (k)
• T∞ = Fluidtemperatur außerhalb der thermischen Grenzschicht (k)
• V = Kinematische Viskosität der Flüssigkeit (m²/s)
• T = absolute Temperatur (k)

Wenn der Fluss turbulent unterschiedliche Korrelationen mit der Rayleigh -Zahl betrifft (eine Funktion von beiden Grashof -Nummer und die Prandtl -Nummer) muss benutzt werden.^[50]

Beachten Sie, dass sich die obige Gleichung vom üblichen Ausdruck für unterscheidet Grashof -Nummer Weil der Wert ${\ displayStyle \ Beta}$ wurde durch seine Annäherung ersetzt ${\ displayStyle 1/t}$, die nur für ideale Gase gilt (eine angemessene Annäherung an Luft bei Umgebungsdruck).

Musterbildung

Eine Flüssigkeit unter Rayleigh -Bénard -Konvektion: Das linke Bild repräsentiert das thermische Feld und das rechte Bild sein zweidimensionales Fourier-Transformation.

Vor allem Konvektion Rayleigh -Bénard -Konvektion, wo die konvektierende Flüssigkeit aus zwei starren horizontalen Platten enthalten ist, ist ein bequemes Beispiel für a Musterbildungssystem.

Wenn die Wärme aus einer Richtung (normalerweise unten) in das System eingespeist wird, diffundiert es bei kleinen Werten lediglich (diffundiert es lediglich (leitet) von unten nach oben, ohne Flüssigkeitsfluss zu verursachen. Wenn der Wärmefluss erhöht ist, über einem kritischen Wert der Rayleigh -Nummer, das System erfährt a Gabelung vom Stall Leitung Staat zu dem Konvekting Zustand, wo die Schüttung der Flüssigkeit aufgrund von Wärme beginnt. Wenn andere Flüssigkeitsparameter als die Dichte nicht signifikant von der Temperatur abhängen, ist das Durchflussprofil symmetrisch, wobei das gleiche Volumen an Flüssigkeit wie Fall steigt. Dies ist bekannt als als Boussinesq Konvektion.

Wenn der Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und dem Boden der Flüssigkeit höher wird, können sich signifikante Unterschiede in anderen Flüssigkeitsparametern als die Dichte im Fluid aufgrund der Temperatur entwickeln. Ein Beispiel für einen solchen Parameter ist Viskosität, die beginnen können, horizontal über Flüssigkeitsschichten zu variieren. Dies bricht die Symmetrie des Systems durch und ändert im Allgemeinen das Muster der aufstrebenden und heruntergeführten Flüssigkeit von Streifen zu Sechskassen, wie rechts zu sehen ist. Solche Sechsecke sind ein Beispiel für a Konvektionszelle.

Als die Rayleigh -Nummer wird noch weiter über dem Wert erhöht, in dem Konvektionszellen zuerst auftreten, das System kann andere Bifurkationen und andere komplexere Muster erfahren, wie z. Spiralen, kann beginnen zu erscheinen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links