Εάν φέρετε το χέρι σας πιο κοντά σε μια αναμμένη ηλεκτρική λάμπα ή τοποθετήσετε την παλάμη σας πάνω από μια ζεστή σόμπα, μπορείτε να νιώσετε την κίνηση των ρευμάτων ζεστού αέρα. Το ίδιο αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί όταν ένα φύλλο χαρτιού ταλαντώνεται σε ανοιχτή φλόγα. Και τα δύο εφέ εξηγούνται με συναγωγή.
Τι είναι;
Το φαινόμενο της μεταφοράς βασίζεται στη διαστολή μιας ψυχρότερης ουσίας σε επαφή με θερμές μάζες. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η θερμαινόμενη ουσία χάνει την πυκνότητά της και γίνεται ελαφρύτερη σε σύγκριση με τον ψυχρό χώρο που την περιβάλλει. Με μεγαλύτερη ακρίβεια, αυτό το χαρακτηριστικό του φαινομένου αντιστοιχεί στην κίνηση των ροών θερμότητας όταν το νερό θερμαίνεται.
Η κίνηση των μορίων σε αντίθετες κατευθύνσεις υπό την επίδραση της θέρμανσης είναι ακριβώς αυτό στο οποίο βασίζεται η μεταφορά. Η ακτινοβολία και η θερμική αγωγιμότητα είναι παρόμοιες διαδικασίες, αλλά αφορούν κυρίως τη μεταφορά θερμικής ενέργειας στα στερεά.
Ζωντανά παραδείγματα μεταφοράς - η κίνηση του θερμού αέρα στη μέση ενός δωματίου με θέρμανσησυσκευές, όταν θερμαινόμενα ρεύματα κινούνται κάτω από την οροφή και ο κρύος αέρας κατεβαίνει στην ίδια την επιφάνεια του δαπέδου. Γι' αυτό, όταν η θέρμανση είναι ενεργοποιημένη, ο αέρας στο πάνω μέρος του δωματίου είναι αισθητά πιο ζεστός σε σύγκριση με το κάτω μέρος του δωματίου.
Νόμος του Αρχιμήδη και θερμική διαστολή φυσικών σωμάτων
Για να κατανοήσουμε τι είναι η φυσική μεταφορά, αρκεί να εξετάσουμε τη διαδικασία χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του νόμου του Αρχιμήδη και το φαινόμενο της διαστολής των σωμάτων υπό την επίδραση της θερμικής ακτινοβολίας. Έτσι, σύμφωνα με το νόμο, η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί αναγκαστικά σε αύξηση του όγκου του υγρού. Το υγρό που θερμαίνεται από κάτω στα δοχεία ανεβαίνει υψηλότερα και η υγρασία υψηλότερης πυκνότητας, αντίστοιχα, κινείται χαμηλότερα. Σε περίπτωση θέρμανσης από πάνω, όλο και λιγότερο πυκνά υγρά θα παραμείνουν στις θέσεις τους, οπότε δεν θα συμβεί το φαινόμενο.
Η εμφάνιση της έννοιας
Ο όρος «συναγωγή» προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο επιστήμονα William Prout το 1834. Χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει την κίνηση των θερμικών μαζών σε θερμαινόμενα, κινούμενα υγρά.
Οι πρώτες θεωρητικές μελέτες του φαινομένου της συναγωγής ξεκίνησαν μόλις το 1916. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, διαπιστώθηκε ότι η μετάβαση από τη διάχυση στη μεταφορά σε υγρά που θερμαίνονται από κάτω συμβαίνει όταν επιτυγχάνονται ορισμένες κρίσιμες τιμές θερμοκρασίας. Αργότερα, αυτή η τιμή ορίστηκε ως "αριθμός Roel". Ονομάστηκε έτσι από τον ερευνητή που το μελέτησε. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων κατέστησαν δυνατή την εξήγηση της κίνησης των ροών θερμότητας υπό την επίδραση των δυνάμεων του Αρχιμήδη.
Τύποι μεταφοράς
Υπάρχουν διάφοροι τύποι του φαινομένου που περιγράφουμε - φυσική και εξαναγκασμένη μεταφορά. Ένα παράδειγμα της κίνησης των ροών ζεστού και κρύου αέρα στη μέση ενός δωματίου είναι ο καλύτερος τρόπος για να χαρακτηριστεί η διαδικασία της φυσικής μεταφοράς. Όσο για το εξαναγκασμένο, μπορεί να παρατηρηθεί κατά την ανάμιξη του υγρού με κουτάλι, αντλία ή αναδευτήρα.
Η μεταφορά είναι αδύνατη όταν θερμαίνονται τα στερεά. Αυτό οφείλεται στη μάλλον ισχυρή αμοιβαία έλξη κατά τη δόνηση των στερεών σωματιδίων τους. Ως αποτέλεσμα της θέρμανσης των σωμάτων στερεάς δομής, η μεταφορά και η ακτινοβολία δεν συμβαίνουν. Η θερμική αγωγιμότητα αντικαθιστά αυτά τα φαινόμενα σε τέτοια σώματα και συμβάλλει στη μεταφορά της θερμικής ενέργειας.
Η λεγόμενη τριχοειδική μεταφορά είναι ξεχωριστός τύπος. Η διαδικασία συμβαίνει όταν η θερμοκρασία αλλάζει κατά τη διάρκεια της κίνησης του ρευστού μέσω των σωλήνων. Υπό φυσικές συνθήκες, η σημασία μιας τέτοιας μεταφοράς, μαζί με τη φυσική και την εξαναγκασμένη μεταφορά, είναι εξαιρετικά ασήμαντη. Ωστόσο, στη διαστημική τεχνολογία, η τριχοειδική μεταφορά, η ακτινοβολία και η θερμική αγωγιμότητα των υλικών γίνονται πολύ σημαντικοί παράγοντες. Ακόμη και οι πιο αδύναμες συναγωγικές κινήσεις κάτω από συνθήκες χωρίς βάρος καθιστούν δύσκολη την εκτέλεση ορισμένων τεχνικών εργασιών.
Συναγωγή στα στρώματα του φλοιού της γης
Οι διεργασίες μεταφοράς είναι άρρηκτα συνδεδεμένες με τον φυσικό σχηματισμό αερίων ουσιών στο πάχος του φλοιού της γης. Η υδρόγειος μπορεί να θεωρηθεί ως μια σφαίρα που αποτελείται από πολλά ομόκεντρα στρώματα. Στο κέντρο βρίσκεται ένας τεράστιος θερμός πυρήνας, ο οποίος είναι μια υγρή μάζα υψηλής πυκνότητας που περιέχει σίδηρο,νικέλιο, καθώς και άλλα μέταλλα.
Τα περιβάλλοντα στρώματα για τον πυρήνα της γης είναι η λιθόσφαιρα και ο ημι-υγρός μανδύας. Το ανώτερο στρώμα της υδρογείου είναι απευθείας ο φλοιός της γης. Η λιθόσφαιρα σχηματίζεται από μεμονωμένες πλάκες που βρίσκονται σε ελεύθερη κίνηση, κινούνται κατά μήκος της επιφάνειας του υγρού μανδύα. Κατά τη διάρκεια της ανομοιόμορφης θέρμανσης διαφόρων τμημάτων του μανδύα και των πετρωμάτων, τα οποία διαφέρουν σε διαφορετική σύνθεση και πυκνότητα, σχηματίζονται μετααγωγικές ροές. Υπό την επίδραση τέτοιων ροών συμβαίνει ο φυσικός μετασχηματισμός του πυθμένα του ωκεανού και η κίνηση των ηπείρων που φέρουν.
Διαφορές μεταξύ συναγωγής και αγωγιμότητας θερμότητας
Η θερμική αγωγιμότητα θα πρέπει να νοείται ως η ικανότητα των φυσικών σωμάτων να μεταφέρουν θερμότητα μέσω της κίνησης ατομικών και μοριακών ενώσεων. Τα μέταλλα είναι εξαιρετικοί αγωγοί της θερμότητας, καθώς τα μόριά τους βρίσκονται σε στενή επαφή μεταξύ τους. Αντίθετα, οι αέριες και οι πτητικές ουσίες δρουν ως κακοί αγωγοί της θερμότητας.
Πώς συμβαίνει η μεταφορά; Η φυσική της διαδικασίας βασίζεται στη μεταφορά θερμότητας λόγω της ελεύθερης κίνησης της μάζας των μορίων των ουσιών. Με τη σειρά της, η θερμική αγωγιμότητα συνίσταται αποκλειστικά στη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των συστατικών σωματιδίων ενός φυσικού σώματος. Ωστόσο, και οι δύο διαδικασίες είναι αδύνατες χωρίς την παρουσία σωματιδίων ύλης.
Παραδείγματα του φαινομένου
Το απλούστερο και πιο κατανοητό παράδειγμα μεταφοράς είναι η διαδικασία ενός συνηθισμένου ψυγείου. ΚυκλοφορίαΤο ψυγμένο αέριο φρέον μέσω των σωλήνων του θαλάμου ψύξης οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας των ανώτερων στρωμάτων αέρα. Αντίστοιχα, αντικαθιστώνται από θερμότερα ρεύματα, τα κρύα βυθίζονται, δροσίζοντας έτσι τα προϊόντα.
Η σχάρα που βρίσκεται στο πίσω πλαίσιο του ψυγείου παίζει το ρόλο ενός στοιχείου που διευκολύνει την απομάκρυνση του θερμού αέρα που σχηματίζεται στον συμπιεστή της μονάδας κατά τη συμπίεση αερίου. Η ψύξη πλέγματος βασίζεται επίσης σε μηχανισμούς μεταφοράς. Αυτός είναι ο λόγος που δεν συνιστάται η ακαταστασία του χώρου πίσω από το ψυγείο. Εξάλλου, μόνο σε αυτήν την περίπτωση, η ψύξη μπορεί να συμβεί χωρίς δυσκολία.
Άλλα παραδείγματα μεταφοράς μπορούν να φανούν παρατηρώντας ένα τέτοιο φυσικό φαινόμενο όπως η κίνηση του ανέμου. Με τη θέρμανση σε ξηρές ηπείρους και την ψύξη σε πιο σκληρό έδαφος, τα ρεύματα αέρα αρχίζουν να μετατοπίζουν το ένα το άλλο, προκαλώντας την κίνηση τους, καθώς και την κίνηση της υγρασίας και της ενέργειας.
Η πιθανότητα να πετάξουν τα πουλιά και τα ανεμόπτερα είναι συνδεδεμένη με τη μεταφορά. Λιγότερο πυκνές και θερμότερες αέριες μάζες, με ανομοιόμορφη θέρμανση κοντά στην επιφάνεια της Γης, οδηγούν στο σχηματισμό ανοδικών ρευμάτων, γεγονός που συμβάλλει στη διαδικασία εκτίναξης στα ύψη. Για να ξεπεράσουν τις μέγιστες αποστάσεις χωρίς τη δαπάνη δύναμης και ενέργειας, τα πουλιά χρειάζονται την ικανότητα να βρίσκουν τέτοια ρεύματα.
Καλά παραδείγματα μεταφοράς είναι ο σχηματισμός καπνού σε καμινάδες και ηφαιστειακούς κρατήρες. Η ανοδική κίνηση του καπνού βασίζεται στην υψηλότερη θερμοκρασία και τη χαμηλότερη πυκνότητά του σε σύγκριση με το περιβάλλον του. Καθώς ο καπνός ψύχεται, σταδιακά εγκαθίσταται στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Ακριβώς για αυτόν τον λόγοΟι βιομηχανικοί σωλήνες, μέσω των οποίων απελευθερώνονται επιβλαβείς ουσίες στην ατμόσφαιρα, κατασκευάζονται όσο το δυνατόν ψηλότερα.
Τα πιο κοινά παραδείγματα μεταφοράς στη φύση και την τεχνολογία
Μεταξύ των απλούστερων, ευνόητων παραδειγμάτων που μπορούν να παρατηρηθούν στη φύση, την καθημερινή ζωή και την τεχνολογία, θα πρέπει να επισημάνουμε:
- ροή αέρα κατά τη λειτουργία των μπαταριών οικιακής θέρμανσης;
- σχηματισμός και κίνηση νεφών;
- η διαδικασία κίνησης του ανέμου, των μουσώνων και των αύρων;
- μετατόπιση τεκτονικών πλακών γης;
- διεργασίες που οδηγούν σε σχηματισμό ελεύθερου αερίου.
Μαγειρική
Όλο και περισσότερο, το φαινόμενο της συναγωγής γίνεται αντιληπτό στις σύγχρονες οικιακές συσκευές, ιδιαίτερα στους φούρνους. Το ντουλάπι αερίου με συναγωγή σάς επιτρέπει να μαγειρεύετε διαφορετικά πιάτα ταυτόχρονα σε ξεχωριστά επίπεδα σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αυτό εξαλείφει εντελώς την ανάμειξη γεύσεων και μυρωδιών.
Ο παραδοσιακός φούρνος βασίζεται σε έναν μόνο καυστήρα για τη θέρμανση του αέρα, με αποτέλεσμα την άνιση κατανομή της θερμότητας. Λόγω της σκόπιμης κίνησης των ρευμάτων ζεστού αέρα με τη βοήθεια ενός εξειδικευμένου ανεμιστήρα, τα πιάτα σε φούρνο μεταφοράς αποδεικνύονται πιο ζουμερά και καλύτερα ψημένα. Τέτοιες συσκευές θερμαίνονται πιο γρήγορα, γεγονός που μειώνει τον χρόνο που απαιτείται για το μαγείρεμα.
Φυσικά, για τις νοικοκυρές που μαγειρεύουν στο φούρνο λίγες μόνο φορές το χρόνο, μια οικιακή συσκευή μεη λειτουργία της συναγωγής δεν μπορεί να ονομαστεί τεχνική πρώτης ανάγκης. Ωστόσο, για όσους δεν μπορούν να ζήσουν χωρίς γαστρονομικά πειράματα, μια τέτοια συσκευή θα γίνει απλά απαραίτητη στην κουζίνα.
Ελπίζουμε ότι το υλικό που παρουσιάστηκε ήταν χρήσιμο για εσάς. Καλή επιτυχία!
