Страница 34 — Глава 1. Тепловые явления. § 8. Конвекция

Слои воды у дна колбы, расположенные над пламенем горелки, нагреваются сильнее остальной воды. При нагревании вода расширяется, её объём увеличивается при неизменной массе, и плотность уменьшается. Сила Архимеда, действующая на нагретую воду, становится больше силы тяжести, поэтому тёплые слои поднимаются вверх, а на их место вниз опускается более холодная и плотная вода. Эти потоки (в опыте их видно по подкрашенной воде) перемешивают воду, и энергия переносится от дна ко всей жидкости. Так вода прогревается во всём объёме за счёт конвекции.

Воздух вблизи горящей лампы нагревается, расширяется, и его плотность становится меньше плотности окружающего холодного воздуха. На нагретый воздух действует архимедова сила, которая больше силы тяжести, поэтому он поднимается вверх. На его место снизу приходит холодный воздух, который тоже нагревается и поднимается. Над лампой образуется восходящий поток тёплого воздуха; он давит на лопасти бумажной вертушки, изображённой на рисунке, и заставляет её вращаться. Значит, воздух перемещается потому, что нагретые слои легче холодных.

Конвекцией называют вид теплопередачи, при котором энергия переносится потоками жидкости или газа. Нагретые слои вещества поднимаются вверх, холодные опускаются вниз, и вместе с веществом переносится внутренняя энергия. Конвекция — основной способ передачи энергии в жидкостях и газах. В отличие от теплопроводности, при конвекции происходит перенос самого вещества. Пример: нагревание воздуха в комнате от батареи водяного отопления.

Конвекция — это перенос энергии движущимися потоками вещества. В твёрдых телах частицы расположены близко друг к другу, прочно связаны силами притяжения и могут только колебаться около положений равновесия. Они не могут перемещаться по телу, поэтому не возникают потоки вещества, которые переносили бы энергию. В твёрдых телах энергия передаётся другим способом — теплопроводностью (а также излучением).

Естественная конвекция возникает сама при неравномерном нагревании жидкости или газа снизу. Примеры: нагревание воздуха в комнате радиаторами отопления (тёплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается к батарее); нагревание воды в чайнике или кастрюле на плите; тяга в печной трубе и в камине; ветер и бризы. Вынужденная конвекция возникает при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов. Примеры: перемешивание ложкой горячего чая или супа; циркуляция охлаждающей жидкости в двигателе автомобиля с помощью насоса; обдув продуктов в духовке с конвекцией вентилятором; работа вентилятора и фена; система водяного отопления с циркуляционным насосом.

При теплопроводности энергия передаётся от частицы к частице при их взаимодействии (столкновениях, колебаниях), а сами частицы вещества не переносятся; она происходит во всех телах, главным образом в твёрдых. При конвекции энергия переносится движущимися потоками самого вещества: нагретые слои вместе с имеющейся у них энергией перемещаются из одного места в другое. Поэтому конвекция возможна только в жидкостях и газах, а теплопроводность — в любых веществах. Кроме того, конвекция в жидкостях и газах гораздо эффективнее их теплопроводности, которая у этих веществ мала.

Нагретая жидкость или газ расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх, а холодные слои опускаются вниз. Если нагревать снизу, возникает конвекция: потоки перемешивают вещество, и оно прогревается во всём объёме довольно быстро. Если же нагревать сверху, тёплый лёгкий слой остаётся наверху, конвекции нет, и нижние слои нагреваются только за счёт теплопроводности, которая у жидкостей и газов очень мала. Поэтому прогрев происходит очень медленно. Именно поэтому чайник ставят на огонь дном, а радиатор отопления и нагреватель кондиционера располагают внизу.

Суша и море нагреваются и остывают по-разному: удельная теплоёмкость воды велика (4200 Дж/(кг·°C)), и вода нагревается и остывает медленно, а почва и камни нагреваются днём быстро и ночью быстро остывают.
Днём суша под лучами Солнца нагревается сильнее моря. Воздух над сушей нагревается, расширяется, плотность его уменьшается, и он поднимается вверх (естественная конвекция). Над морем воздух холоднее и плотнее; он перемещается у поверхности на сушу, занимая место поднявшегося. Так возникает дневной бриз — ветер с моря на сушу. На высоте воздух движется от суши к морю, и циркуляция замыкается.
Ночью суша быстро остывает, а вода остаётся более тёплой. Теперь воздух нагрет сильнее над морем: он расширяется и поднимается, а у поверхности на его место приходит более холодный воздух с суши. Возникает ночной бриз — ветер с суши на море; наверху воздух движется от моря к суше.
Вывод: причина бризов — разное нагревание суши и воды и возникающая из-за этого конвекция воздуха.