În absența vântului, lângă pielea ta se va forma un strat de aer cald, care oferă efectiv un strat suplimentar de izolație cunoscut sub numele de strat limită. Imaginea termică de mai jos codifică culoarea aerului cald și rece, astfel încât să putem vizualiza formarea stratului de hotar cald. (În capitolul următor vom afla cum sunt create imagini termice ca aceasta.)

wind-chill
Imagine termică care arată aerul (verde) încălzit prin conducere de pe piele, care apoi crește în aerul mai rece și mai dens din cauza convecției naturale, care este discutat în secțiunea următoare. Convecția forțată este reducerea acestui strat limită de fluid datorită altor factori decât încălzirea fluidului în sine, cum ar fi vântul. Credit de imagine: „Plume termice din mâna omului” de Gary Settles prin Wikimedia Commons

Putem vedea că stratul încălzit de piele este subțire, dar aerul are o conductivitate termică foarte scăzută, astfel încât acest strat poate aduce o contribuție importantă la încetinirea conducerii. Vântul tinde să îndepărteze parțial acest strat izolant și să îl înlocuiască cu aer mai rece. Grosimea stratului hot care poate forma depinde de viteza vântului, viteze mai mari ducând la straturi mai subțiri și provocând un efect mai mare de răcire a vântului. Răcirea eoliană este un exemplu de convecție forțată, în care fluidul cald și rece schimbă locuri din cauza mișcării fluidului cauzate de factori externi, cum ar fi vântul care suflă sau apa care curge.

Exemplu zilnic: izvoare termale și saune

Când vă scufundați în fluid cu o temperatură mai mare decât temperatura corpului, cum ar fi într-un izvor fierbinte sau în saună, este posibil să observați că fluidul se simte brusc mai fierbinte atunci când vă deplasați. Fie că un fluid se mișcă în jurul tău, fie că te deplasezi prin fluid, în ambele cazuri se va produce convecție forțată. Când fluidul este mai cald decât corpul dvs., atunci căldura se transferă din fluid în corpul dvs., lăsând un strat limită de lichid puțin mai rece lângă pielea ta. Când vă deplasați, acest strat limită este lăsat în urmă și înlocuit cu un fluid fierbinte nou care nu a fost încă răcit de corpul dumneavoastră.

Rata transferului de căldură prin convecție forțată poate fi calculată folosind o ecuație empirică care arată foarte similar cu ecuația de conducere:

(1)

Din nou, rata de transfer de căldură este proporțională cu o diferență între temperatura obiectului și a mediului ambiant. Suprafața de contact (A) joacă din nou un rol, în acest caz între obiect și fluid. În cele din urmă, coeficientul de transfer termic convectiv (h) încorporează proprietățile fluidului și ține cont de dependența grosimii stratului limită de viteza fluidului. Coeficientul de transfer termic convectiv este adesea determinat experimental. De exemplu, următoarele grafice arată date experimentale privind coeficientul de transfer de căldură pentru aer la o gamă de viteze ale vântului:

Graficul datelor despre coeficientul de transfer termic convectiv pentru aer. „M2” în unitățile axei verticale înseamnă metri pătrați.

Exerciții de întărire

Exemplu zilnic: Supraviețuirea vremii reci

Reducerea frigului de vânt (convecție forțată) este o parte importantă a strategiei generale de supraviețuire a vremii reci. Să evaluăm efectele convecției forțate în timpul unei situații de supraviețuire în sălbăticie la 25 de ani ° F (-3,9 ° C) cu un 10 mph (4.5 Domnișoară) vânt. Să presupunem că purtați țesături subțiri care sunt destul de permeabile la vânt. Acum putem aproxima efectul convecției presupunând că suprafața țesăturii este aceeași cu temperatura corpului și aplicând ecuația convecției:

Diferența dintre temperatura corpului și temperatura aerului este de 37 ° C - (-3.9 ° C) = 40,9 C °. Coeficientul de transfer de căldură este aproximativ conform graficului anterior. Folosind metodele din capitolul 17 estimăm suprafața corpului superior. Introducerea acestor valori în ecuația de convecție:

Rata de pierdere prin căldură convectivă în această situație ar depăși complet 100 W puterea termică de repaus a unei persoane tipice și temperatura corpului ar scădea rapid. Pentru a vedea cât de repede, consultați capitolul Capacitate de căldură. Frisoanele pot crește puterea termică de până la 2,5 ori, până la aproximativ 250 W [4], dar chiar și asta ar fi mult în afara echilibrului ratei de pierdere prin căldură convectivă. Găsirea adăpostului împotriva vântului este o parte importantă a strategiei de supraviețuire. Purtarea de haine care opresc vântul este o parte importantă a pregătirii în pustie. Chiar și o pungă mare de gunoi din plastic care ar putea fi purtată pe cea mai mare parte a corpului ar reduce semnificativ pierderea de căldură prin convecție.

Vântul nu va pătrunde într-o fereastră bine sigilată, deci se pare că convecția forțată nu ar trebui să fie un factor semnificativ în pierderea de căldură printr-o fereastră. Cu toate acestea, un singur geam de sticlă face o treabă slabă de a preveni conducerea, astfel încât o energie termică semnificativă traversează în continuare bariera. Această energie termică va încălzi un strat limită în exteriorul ferestrei, care ar putea fi apoi îndepărtat de vânt, astfel încât, de fapt, răcirea eoliană poate afecta rata pierderii de căldură prin fereastră. Ferestrele cu geam dublu reduc conductia utilizând un strat de aer prins între două geamuri de sticlă.

Decalajul dintr-o fereastră cu panou dublu este prea mic pentru a se forma celule de convecție eficiente. Umplerea decalajului cu un gaz mai puțin conductiv, mai vâscos (sau cu mișcare lentă) și de joasă presiune reduce și mai mult conducerea și convecția prin gaz. Un amestec de gaz de cripton și argon este adesea folosit ca un compromis între performanța termică și cost. Credit de imagine: „Ferestre umplute cu gaz” de John A Dutton e-science Institute, Penn State College of Earth and Mineral Sciences

Știm că conducerea este redusă pe o fereastră dublă, deoarece conductivitatea termică a aerului este excepțional de scăzută, dar decalajul de aer dintr-o fereastră dublă este de obicei de doar 2 cm. Având în vedere că rata transferului de căldură prin conducție scade odată cu creșterea grosimii stratului de aer, de ce nu avem ferestre cu geam dublu un decalaj mult mai mare? De ce să nu minimalizăm conducția făcând decalajul aproape toată grosimea peretelui? Convecția naturală este răspunsul la această întrebare. Convecția naturală este transferul de căldură datorită mișcării fluidului cauzată de expansiunea termică a fluidului în sine, mai degrabă decât de factori externi, cum ar fi vântul. De exemplu, încălziți aerul de lângă piele și aerul respectiv se extinde. După expansiune, aceeași masă de aer are acum un volum mai mare, astfel prin definiție are o densitate mai mică. Fiind mai puțin dens decât aerul mai rece din jur, aerul cald va pluti în sus, așa cum puteți vedea în imaginea termică anterioară a mâinii unei persoane. (Pentru a vă reaminti de ce va crește aerul mai cald și mai puțin dens, consultați capitolul anterior despre forțele plutitoare).

Pe măsură ce aerul încălzit se ridică departe de piele, acesta este înlocuit de aerul rece care se deplasează din fiecare parte a suprafeței calde, care este apoi încălzit înainte de a crește, creând un model de flux ciclic cunoscut sub numele de celulă de convecție. În general, celulele de convecție transportă energia termică departe de piele (sau orice obiect cald).

O celulă de convecție alimentată de aportul de energie termică dintr-un cuptor transferă energia termică în toată camera. Din păcate, cea mai mare parte a aerului cald este jumătatea superioară a camerei, nu aproape de jumătatea inferioară, unde oamenii obișnuiesc să stea. Credit de imagine: OpenStax, College Physics

Folosirea ferestrelor cu geam dublu cu un spațiu de aer mare ar permite formarea de celule mari de convecție, iar aceste celule ar transfera în mod eficient energia termică peste spațiu. Păstrarea dimensiunii golurilor mici împiedică formarea celulelor mari de convecție.

Exemple de zi cu zi: puf, ferestre cu geam dublu, fibră de sticlă și blană

Majoritatea strategiilor de izolare creează o matrice de fibre care captează mici buzunare de aer care exploatează conductivitatea termică scăzută, împiedicând în același timp formarea celulelor mari de convecție. Puful, bătătura din fibră de sticlă și blana sunt exemple ale acestei strategii. Fibrele acestor materiale au o conductivitate mai mare decât aerul, astfel încât prinzarea mai multor aer cu mai puține fibre oferă cea mai mică conductivitate medie generală. De fapt, unele animale, cum ar fi urșii polari, au blană goală pentru a crește raportul dintre aer și materialul matricei. [7] Cele mai bune strategii de izolare combină o matrice de captare a aerului pentru a minimiza conducerea și convecția naturală cu un strat exterior de oprire a vântului pentru a preveni convecția forțată. În climatul umed, stratul de oprire a vântului ar trebui să fie, de asemenea, rezistent la apă, pentru a împiedica umplerea apei de buzunarele de aer create de matricea de bază a fibrelor.

Celulele de convecție conduc transferul de căldură într-o mare varietate de sisteme pe multe scale. De fapt, vântul care servește la conducerea convecției forțate din corpul dvs. este de fapt cauzat de celulele naturale de convecție. Astfel de celule se pot forma datorită încălzirii și răcirii diferențiale a geografiei locale. De exemplu, aerul de deasupra oceanului poate rămâne mai rece, în timp ce aerul de deasupra coastei se încălzește rapid în timpul zilei, rezultând o briză de pe uscat (briza mării) în timpul zilei. Celula de convecție se inversează noaptea, creând o briză în larg.

Exerciții de întărire

Desenați celulele de convecție lângă o coastă atât în ​​timpul zilei, cât și noaptea, pentru a arăta cum se creează adiere de la țărm și off-shore prin încălzirea diferențială a oceanului și a coastelor. Indicați temperatura relativă a apei, a solului și a aerului în timpul zilei și al nopții.

Vântul este produs și de celule de convecție la scară globală. Următorul grafic prezintă celulele de convecție la scară globală care conduc vânturile la diferite latitudini. Observați că rotirea Pământului combinată cu inerția masei de aer creează un efect Coriolis, ceea ce face ca direcția vântului să se îndepărteze de direcția indicată în partea de jos a celulei de convecție. Este posibil să observați că latitudinile marilor deșerturi și păduri ale lumii se potrivesc cu granițele dintre celule. Vom afla de ce în capitolul următor.

Celule de convecție globale și vânturi asociate. Credit de imagine:

Previzibilitatea și stabilitatea celulelor de convecție la scară largă permite implementarea în creștere a centralelor electrice de turbine eoliene. Pe măsură ce abilitățile noastre predictive continuă să se îmbunătățească, împreună cu eficiența turbinei și tehnologia de stocare a energiei, energia eoliană devine o opțiune viabilă pentru unele comunități.

Parcul eolian offshore Burbo Bank cu nordul Țării Galilor în fundal. Credit de imagine: Burbo Bank offshore WindFarm de Ian Mantel prin Wikimedia Commons

Celulele de convecție sunt chiar responsabile de mișcarea continentelor:

Ilustrație adnotată care arată convecția mantalei și relația acesteia cu tectonica plăcilor. Credit de imagine: Manta de convecție de către Byrd Polar Research Center de la Universitatea de Stat din Ohio, prin Centrul de Resurse Știință și Educație de la Carlton College.

  1. „Wind Chill Chart” de către National Weather Service, NOAA se află în domeniul public Public
  2. „Plume termice din mâna omului” de Gary Settles [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], din Wikimedia Commons↵
  3. Engineering ToolBox, (2003). Transfer termic convectiv. [online] Disponibil la: https://www.engineeringtoolbox.com/convective-heat-transfer-d_430.html [Accesat la 18 ianuarie 2019] ↵
  4. „Nevoi nutriționale în medii reci și în altitudine: aplicații pentru personalul militar în operațiuni de teren” de Andrew J. Young, Michael N. Sawka și Kent B. Pandolf, Centrul Național pentru Informații despre Biotehnologie, Institutele Naționale de Sănătate
  5. „Ferestre umplute cu gaz” de către Institutul de științe electronice John A Dutton, Colegiul Penn State de Pământ și Științe Minerale este licențiat sub CC BY-NC-SA 4.0
  6. OpenStax, Fizica colegiului. OpenStax CNX. 8 noiembrie 2018 http://cnx.org/contents/[email protected]↵
  7. "Blana de urs polar este transparentă?" de Everyday Mysteries, Biblioteca Congresului se află în domeniul public↵
  8. Earth Global Circulation-de Kaidor [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], prin Wikimedia Commons↵
  9. Burbo Bank Offshore WindFarm de Ian Mantel [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], prin Wikimedia Commons↵

Creșterea ratei de pierdere a căldurii de la obiecte care sunt mai calde decât aerul cauzată de fluxul de aer pe suprafața obiectului.

Starea de a avea o temperatură corporală mult sub intervalul normal.

o măsură a energiei cinetice medii a particulelor (de exemplu, atomi și molecule) dintr-un obiect, care determină cât de relativ fierbinte sau rece se simte un obiect

cantitatea de căldură (energie termică transferată datorită unei diferențe de temperatură) care lasă un obiect pe unitate de timp

o măsură a capacității unui material de a conduce căldura

procesul prin care căldura sau transferată direct printr-o substanță atunci când există o diferență de temperatură între regiunile alăturate, fără mișcarea materialului

transfer de căldură datorită mișcării moleculelor de fluid conduse de alți factori externi decât expansiunea termică.

explicație matematică a relației dintre valorile măsurate care este utilizată pentru a face predicții

cantitatea de energie termică transferată către noi, dintr-un obiect sub formă de căldură, pe unitate de timp

o măsură cât de bine este transferată energia termică ca căldură pentru o anumită temperatură și zonă de contact

distanța parcursă pe unitate de timp

o valoare brută obținută fără a face o măsurare utilizând cunoștințe și ipoteze anterioare.

ignorând unele compilări pentru a simplifica analiza sau a continua, chiar dacă lipsesc informații

rata la care energia potențială chimică este convertită în energie termică de către corp, baterii sau motoare termice. De asemenea, rata la care energia termică este convertită în energie electrică de către o centrală termică.

energie stocată în mișcarea microscopică a atomilor și moleculelor (energie cinetică microscopică)

Transfer de căldură datorită mișcării fluidului cauzat de expansiunea termică a fluidului

Creșterea modificării volumului unui obiect care rezultă dintr-o modificare a temperaturii.

o măsurare a cantității de materie dintr-un obiect realizată prin determinarea rezistenței sale la schimbările de mișcare (masa inerțială) sau forța de greutate aplicată acestuia de o altă masă cunoscută de la o distanță cunoscută (masa gravitațională). Masa gravitațională și o masă inerțială par egale.

o cantitate de spațiu, cum ar fi volumul dintr-o cutie sau volumul preluat de un obiect.

relația dintre cantitatea de material și spațiul pe care îl ocupă, calculată ca masă împărțită la volum.

imagine creată prin substituirea variațiilor de culoare vizibile cu variațiile de temperatură determinate prin măsurarea variațiilor intensității radiației termice și/sau a lungimilor de undă

flux ciclic de lichid cauzat de convecție naturală

O cantitate de energie termică transferată datorită diferenței de temperatură.

chiria unui obiect pentru a rezista schimbărilor de mișcare

un efect prin care o masă care se mișcă într-un sistem rotativ se comportă ca și când ar experimenta o forță (forța Coriolis) care acționează perpendicular pe direcția de mișcare. Pe pământ, efectul tinde să devieze obiectele în mișcare spre dreapta în emisfera nordică și spre stânga în sud și este important în formarea sistemelor meteorologice ciclonice

raportul dintre munca utilă efectuată și energia totală consumată

rata la care se lucrează, rata la care energia este convertită de la o formă la alta