Transferul caldurii prin convectie

Transferul caldurii prin convectie

In experimentul prezentat mai sus nu s-a incalzit partea inferioara a eprubetei pentru a inlatura posibilitatea aparitiei altei situatii de transfer al caldurii si anume convectia.

Termenul de convectie este asociat transferului de caldura provocat de deplasarea unei portiuni calde a substantei in interiorul acesteia, avand ca efect formarea unor curenti.

Corpurile nu intra in contact, spre deosebire de transferul caldurii prin conductie. Fenomenul de convectie are loc intr-un mediu fluid.

Exemple in care este implicata convectia pot fi: curgerea sangelui prin corp, sistemul de incalzire cu apa calda sau cu aer cald (tirajul sobelor sau functionarea caloriferelor). De ce se incalzeste tot continutul unui vas pus pe foc, desi numai fundul acestuia este in contact direct cu sursa de caldura? Aceasta se explica prin curentii de convectie ce transporta caldura dinspre regiunile calde spre cele reci. Acesti curenti apar si circula in toate fluidele in care exista diferente de temperatura.

Convectia este determinata de doua cauze, corespunzand la doua tipuri de procese:

Diferenta de densitate a fluidului, provocata de diferenta de temperatura dintre diferitele puncte ale acestuia conduce la aparitia unei miscari libere (naturale) si atunci are loc convectia libera sau naturala.

Efectul unei actiuni mecanice exterioare (pompa, ventilator) asupra fluidului ce determina aparitia unei miscari fortate conduce la o convectie fortata.

Regimul de curgere este caracterizat prin numarul lui Reynolds. In functie de valoarea acestui numar (Re) se disting urmatoarele categorii de procese de transfer termic prin convectie:

Convectie in regim laminar, cand 0<Re<2320;

Convectie in regim tranzitoriu, cand 2320<Re<4000;

Convectie in regim turbulent, cand Re>4000.

Cunoasterea regimului de curgere este esentiala pentru intelegerea mecanismului convectiei:

In regim laminar, convectia se realizeaza prin conductie termica in fluid;

In regim turbulent convectia are loc prin conductie termica in stratul limita (stratul de fluid din vecinatatea peretelui) si prin transfer de masa si impuls in zona centrala a curgerii.

A.    Pe gheta sau sub gheata?

Cum procedam daca dorim sa racim un corp cu ajutorul ghetii? Aerul de deasupra ghetii, racindu-se, coboara, fiind inlocuit cu aerul inconjurator care este cald. De aici, rezulta o concluzie practica: daca vreti saraciti o bautura sau o mancare, nu o asezati pa gheata, ci sub gheata. Daca asezam vasul cu apa pe gheata, atunci se va raci numai patura inferioara de lichid, restul fiind inconjurat de aer neracit.

Daca asezam un cub de gheata pe capacul vasului, atunci racirea continutului va decurge mai repede. Straturile superioare de lichid racite vor cobora, fiind inlocuite de lichidul cald, care se ridica, pana cand se va raci intregul continut al vasului. Pe de alta parte, aerul racit din jurul ghetii va cobora si el va inconjura vasul.

B. Cristale ce plutesc in apa

Intr-un vas de sticla, in care se afla se pun cristale de permanganat de potasiu. Acestea se vor aseza pe fundul vasului. Cand se incalzeste apa din vas se observa cum cristalelede permanganat de potasiu nedizolvate vor fi purtate de curentii de convectie.

Curentii calzi sunt ascendenti, iar cei reci sunt descendenti.

Fenomenul se bazeaza pe proprietatea de dilatare a fliudelor in functie de temperatura, ce determina o scadere a densitatii fluodului incalzit, urmata de ridicarea lui spre suprafata.

C. Deriva continentelor

Curentii de convectie care se produc in straturile interioare ale Pamantului determina deriva continentelor.

Atat conductia cat si convectia sunt modalitati de transfer al caldurii ce necesita existenta unui suport material solid, lichid sau gazos.

Cand mana se afla in contact direct cu suprafata unui radiator, caldura ajunge la mana prin conductie prin peretii radiatorului. Daca mana este tinuta deasupra radiatorului, dar nu in contact direct cu el, caldura ajunge la mana printr-un curent de convectie de aer cald care se ridica. Daca mana este tinuta lateral fata de radiator, acesta inca pare cald desi conductia prin aer este neglijabila, mana nefiind pe directia curentilor de convectie. Energia ajunge la mana prin radiatie.