Nếu bạn đưa tay lại gần đèn điện đang bật hoặc đặt lòng bàn tay lên bếp đang nóng, bạn có thể cảm nhận được sự chuyển động của các dòng không khí ấm. Hiệu ứng tương tự có thể được quan sát thấy khi một tờ giấy được dao động trên ngọn lửa trần. Cả hai hiệu ứng đều được giải thích là do đối lưu.
Nó là gì?
Hiện tượng đối lưu dựa trên sự nở ra của một chất lạnh hơn khi tiếp xúc với các khối nóng. Trong trường hợp đó, chất bị nung nóng mất khối lượng riêng và trở nên nhẹ hơn so với không gian lạnh xung quanh nó. Chính xác nhất, đặc điểm của hiện tượng này tương ứng với sự chuyển động của các dòng nhiệt khi nước được đun nóng.
Sự chuyển động của các phân tử theo hướng ngược nhau dưới tác động của sự đốt nóng chính xác là cơ sở của sự đối lưu. Bức xạ và dẫn nhiệt là những quá trình tương tự, nhưng chúng chủ yếu liên quan đến sự truyền nhiệt năng trong chất rắn.
Ví dụ sinh động về sự đối lưu - sự chuyển động của không khí ấm ở giữa một căn phòng có hệ thống sưởithiết bị, khi các dòng nóng di chuyển dưới trần nhà, và không khí lạnh đi xuống chính bề mặt của sàn. Đó là lý do tại sao, khi bật hệ thống sưởi, không khí ở trên cùng của căn phòng ấm hơn đáng kể so với ở dưới cùng của căn phòng.
Định luật Archimedes và sự giãn nở nhiệt của các vật thể
Để hiểu đối lưu tự nhiên là gì, chỉ cần xem xét quá trình sử dụng ví dụ của định luật Archimedes và hiện tượng giãn nở của các vật thể dưới tác động của bức xạ nhiệt. Vì vậy, theo quy luật, nhiệt độ tăng nhất thiết dẫn đến tăng thể tích chất lỏng. Chất lỏng được làm nóng từ bên dưới trong các thùng chứa tăng lên cao hơn, và độ ẩm có tỷ trọng cao hơn, tương ứng, di chuyển thấp hơn. Trong trường hợp đun nóng từ trên cao, các chất lỏng ngày càng ít đặc hơn sẽ ở lại vị trí của chúng, trong trường hợp đó hiện tượng này sẽ không xảy ra.
Sự xuất hiện của khái niệm
Thuật ngữ "đối lưu" lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà khoa học người Anh William Prout vào năm 1834. Nó được sử dụng để mô tả sự chuyển động của các khối nhiệt trong chất lỏng chuyển động được nung nóng.
Các nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về hiện tượng đối lưu chỉ bắt đầu vào năm 1916. Trong các thí nghiệm, người ta nhận thấy rằng quá trình chuyển đổi từ khuếch tán sang đối lưu trong chất lỏng được làm nóng từ bên dưới xảy ra khi đạt đến các giá trị nhiệt độ tới hạn nhất định. Sau đó, giá trị này được xác định là "Roel number". Nó được đặt tên như vậy theo tên của nhà nghiên cứu đã nghiên cứu nó. Kết quả của các thí nghiệm đã giúp giải thích sự chuyển động của các dòng nhiệt dưới tác động của lực Archimedes.
Các loại đối lưu
Có một số loại hiện tượng mà chúng tôi mô tả - đối lưu tự nhiên và cưỡng bức. Ví dụ về sự chuyển động của các luồng không khí nóng và lạnh ở giữa phòng là cách tốt nhất để mô tả quá trình đối lưu tự nhiên. Đối với cưỡng bức, có thể quan sát thấy khi trộn chất lỏng bằng thìa, máy bơm hoặc máy khuấy.
Không thể xảy ra sự đối lưu khi chất rắn bị nung nóng. Điều này là do lực hút lẫn nhau khá mạnh trong quá trình dao động của các hạt rắn của chúng. Do quá trình đốt nóng các vật thể có cấu trúc rắn, không xảy ra hiện tượng đối lưu và bức xạ. Sự dẫn nhiệt thay thế các hiện tượng này trong các cơ thể như vậy và góp phần truyền nhiệt năng.
Cái gọi là đối lưu mao dẫn là một loại riêng biệt. Quá trình xảy ra khi nhiệt độ thay đổi trong quá trình chuyển động của chất lỏng qua các đường ống. Trong các điều kiện tự nhiên, tầm quan trọng của đối lưu như vậy, cùng với đối lưu tự nhiên và cưỡng bức, là vô cùng nhỏ. Tuy nhiên, trong công nghệ vũ trụ, sự đối lưu mao dẫn, bức xạ và dẫn nhiệt của vật liệu trở thành những yếu tố rất quan trọng. Ngay cả những chuyển động đối lưu yếu nhất trong điều kiện không trọng lượng cũng gây khó khăn cho việc thực hiện một số nhiệm vụ kỹ thuật.
Đối lưu trong các lớp của vỏ trái đất
Quá trình đối lưu gắn bó chặt chẽ với sự hình thành tự nhiên của các chất ở thể khí trong độ dày của vỏ trái đất. Quả địa cầu có thể được coi là một khối cầu bao gồm nhiều lớp đồng tâm. Ở chính giữa là một lõi nóng khổng lồ, là một khối chất lỏng mật độ cao chứa sắt,niken, cũng như các kim loại khác.
Các lớp bao quanh lõi trái đất là thạch quyển và lớp phủ bán lỏng. Lớp trên cùng của địa cầu trực tiếp là vỏ trái đất. Thạch quyển được hình thành từ các phiến riêng lẻ chuyển động tự do, di chuyển dọc theo bề mặt của lớp phủ chất lỏng. Trong quá trình đốt nóng không đồng đều các phần khác nhau của lớp phủ và đá, chúng khác nhau về thành phần và mật độ khác nhau, các dòng đối lưu được hình thành. Dưới tác động của các dòng chảy như vậy đã xảy ra sự biến đổi tự nhiên của đáy đại dương và sự chuyển động của các lục địa mang.
Sự khác biệt giữa đối lưu và dẫn nhiệt
Tính dẫn nhiệt nên được hiểu là khả năng truyền nhiệt của các vật chất thông qua chuyển động của các hợp chất nguyên tử và phân tử. Kim loại là chất dẫn nhiệt tuyệt vời, vì các phân tử của chúng tiếp xúc chặt chẽ với nhau. Ngược lại, các chất ở thể khí và dễ bay hơi đóng vai trò là chất dẫn nhiệt kém.
Đối lưu xảy ra như thế nào? Vật lý của quá trình này dựa trên sự truyền nhiệt do chuyển động tự do của khối lượng phân tử các chất. Ngược lại, dẫn nhiệt chỉ bao gồm việc truyền năng lượng giữa các phần tử cấu thành của một cơ thể vật chất. Tuy nhiên, cả hai quá trình đều không thể thực hiện được nếu không có sự hiện diện của các hạt vật chất.
Ví dụ về hiện tượng
Ví dụ đơn giản và dễ hiểu nhất về đối lưu là quá trình của một tủ lạnh thông thường. Vòng tuần hoànkhí freon được làm lạnh đi qua các đường ống của buồng lạnh dẫn đến giảm nhiệt độ của các lớp không khí phía trên. Theo đó, được thay thế bằng dòng ấm hơn, dòng lạnh chìm xuống, do đó làm mát sản phẩm.
Tấm lưới nằm ở mặt sau của tủ lạnh đóng vai trò như một bộ phận tạo điều kiện thuận lợi cho việc loại bỏ khí ấm hình thành trong máy nén của bộ phận trong quá trình nén khí. Làm mát bằng lưới cũng dựa trên cơ chế đối lưu. Chính vì lý do này mà không nên làm bừa bộn không gian phía sau tủ lạnh. Rốt cuộc, chỉ trong trường hợp này, việc làm mát có thể diễn ra mà không gặp khó khăn.
Có thể thấy các ví dụ khác về đối lưu bằng cách quan sát một hiện tượng tự nhiên như chuyển động của gió. Ấm lên trên các lục địa khô cằn và lạnh đi trên địa hình khắc nghiệt hơn, các dòng không khí bắt đầu dịch chuyển lẫn nhau, khiến chúng di chuyển, cũng như di chuyển hơi ẩm và năng lượng.
Khả năng bay cao của chim và tàu lượn gắn liền với sự đối lưu. Các khối không khí ít đặc hơn và ấm hơn, với sự nóng lên không đồng đều gần bề mặt Trái đất, dẫn đến sự hình thành của các dòng đi lên, góp phần vào quá trình bay lên. Để vượt qua những khoảng cách tối đa mà không tiêu tốn sức lực và sức lực, những con chim cần có khả năng tìm thấy những luồng như vậy.
Ví dụ điển hình về sự đối lưu là sự hình thành khói trong ống khói và miệng núi lửa. Sự di chuyển lên trên của khói dựa trên nhiệt độ cao hơn và mật độ thấp hơn so với môi trường xung quanh. Khi khói nguội đi, nó dần dần lắng xuống các lớp thấp hơn của khí quyển. Chính xác là vì lý do nàycác đường ống công nghiệp, qua đó các chất độc hại được thải vào khí quyển, càng cao càng tốt.
Các ví dụ phổ biến nhất về đối lưu trong tự nhiên và công nghệ
Trong số những ví dụ đơn giản, dễ hiểu có thể quan sát được trong tự nhiên, cuộc sống hàng ngày và công nghệ, chúng ta nên làm nổi bật:
- luồng không khí trong quá trình hoạt động của pin sưởi gia dụng;
- sự hình thành và chuyển động của các đám mây;
- quá trình chuyển động của gió, gió mùa và gió;
- sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo trái đất;
- quá trình dẫn đến hình thành khí tự do.
Nấu
Càng ngày, hiện tượng đối lưu càng được thực hiện trong các thiết bị gia dụng hiện đại, cụ thể là trong lò nướng. Tủ gas đối lưu giúp bạn có thể nấu cùng lúc nhiều món ăn khác nhau ở các mức riêng biệt với nhiệt độ khác nhau. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn sự pha trộn giữa các vị và mùi.
Lò truyền thống dựa vào một đầu đốt duy nhất để làm nóng không khí, dẫn đến phân bổ nhiệt không đồng đều. Do sự chuyển động có chủ đích của các luồng khí nóng với sự hỗ trợ của quạt chuyên dụng, các món ăn trong lò nướng đối lưu trở nên ngon hơn và nướng ngon hơn. Các thiết bị như vậy nóng lên nhanh hơn, giúp giảm thời gian nấu nướng.
Tất nhiên, đối với những bà nội trợ chỉ nấu nướng trong lò vài lần trong năm, một thiết bị gia dụng vớichức năng của đối lưu không thể được gọi là một kỹ thuật của sự cần thiết đầu tiên. Tuy nhiên, đối với những người không thể sống thiếu các thí nghiệm ẩm thực, một thiết bị như vậy sẽ trở nên đơn giản không thể thiếu trong nhà bếp.
Chúng tôi hy vọng rằng tài liệu được giới thiệu hữu ích cho bạn. Chúc các bạn thành công!
