§ 8. Конвекция

ПАРАДОКС ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ И НЕОБХОДИМОСТЬ КОНВЕКЦИИ

Эксперименты показывают, что жидкости и газы обладают крайне низкой теплопроводностью. Если нагревать воду у поверхности, на дне может спокойно лежать лёд. Однако в повседневной жизни мы постоянно наблюдаем обратное: вода в металлическом чайнике на плите закипает целиком всего за несколько минут, а установленные у пола радиаторы отопления успешно прогревают огромные объёмы воздуха в жилых комнатах.

Это кажущееся противоречие разрешается тем, что в текучих средах вступает в действие совершенно иной, гораздо более мощный механизм теплопередачи — конвекция.

• Конвекция (от латинского convectio — принесение, доставка) — это вид теплопередачи, при котором внутренняя энергия переносится потоками (струями) перемещающейся жидкости или газа.

Главное отличие конвекции от теплопроводности заключается в том, что при конвекции всегда происходит реальный перенос самого вещества.

ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ: ПЛОТНОСТЬ, СИЛА ТЯЖЕСТИ И ЗАКОН АРХИМЕДА

В основе механизма конвекции лежат фундаментальные законы теплового расширения и гидростатики:

1. Тепловое расширение и плотность: При нагревании снизу нижние слои жидкости или газа получают тепловую энергию. Расстояния между микрочастицами увеличиваются, объём $V$ нагретого слоя возрастает. Поскольку масса вещества $m$ остаётся неизменной, плотность нагретого слоя уменьшается ($\rho = m / V$). Он становится локально легче окружающих слоев.
2. Действие силы Архимеда: Согласно закону Архимеда, на погружённое в среду тело или обособленный объём действует направленная вверх выталкивающая сила ($F_A = \rho_\text{хол} \cdot g \cdot V$). На менее плотный тёплый слой сила Архимеда действует сильнее, чем сила его собственной тяжести.
3. Возникновение циркуляции: В результате тёплые лёгкие слои непрерывно всплывают к поверхности, а их место у дна под действием силы тяжести занимают более холодные и плотные верхние слои. Опустившись вниз, они сами нагреваются у источника тепла и устремляются вверх. Возникает непрерывный циркуляционный круговорот, который равномерно и быстро прогревает весь объём среды.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ

Конвекционные потоки невидимы невооружённым глазом в чистой среде, однако их легко обнаружить простыми физическими экспериментами:

• Конвекция в жидкости: На дно круглодонной колбы с холодной водой опускают несколько кристалликов марганцовки (перманганата калия) или каплю чернил и начинают точечно нагревать колбу снизу на спиртовке. С дна колбы вверх устремляются чётко очерченные фиолетовые струи горячей воды. Достигнув поверхности, окрашенные слои отдают часть тепла, остывают у боковых стенок колбы и опускаются вниз вдоль контура сосуда, образуя наглядное замкнутое кольцо циркуляции.
• Конвекция в газах: Над работающей настольной электрической лампой или зажжённой свечой устанавливают на тонком вертикальном острие лёгкую бумажную вертушку, вырезанную в виде спирали. Восходящий поток воздуха, нагретый колбой лампы, непрерывно толкает лопасти спирали, заставляя её быстро и безостановочно вращаться.

ГДЕ И ПОЧЕМУ КОНВЕКЦИЯ НЕВОЗМОЖНА

Для возникновения конвекционных токов необходима подвижность слоёв вещества и наличие гравитационного поля:

• В твёрдых телах: Частицы прочно зафиксированы в узлах кристаллической решётки силами межатомного притяжения и отталкивания. Они могут лишь совершать колебания около положений равновесия, поэтому перемещение струй вещества в твёрдых телах физически невозможно.
• В вакууме: В безвоздушном пространстве отсутствует материальная среда, способная образовывать потоки.
• При нагревании жидкости или газа СВЕРХУ: Если пламя горелки поднести к верхней части сосуда, нагретый слой расширится, уменьшит свою плотность и останется лежать на поверхности. Холодные, более плотные слои останутся на дне. Выталкивающая сила не сможет заставить тёплую воду опуститься вниз, конвекционный круговорот не возникнет, и нижние слои останутся холодными. Именно поэтому жидкости и газы всегда нагревают строго снизу, а охлаждают сверху.

ЕСТЕСТВЕННАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ: ТЕХНИКА И ПРИРОДА

В физике выделяют два фундаментальных типа конвекции:

1. Естественная (свободная) конвекция: Протекает самопроизвольно за счёт неравномерного нагревания слоёв среды в поле тяжести Земли.
   • Отопление помещений: Радиаторы центрального отопления устанавливают строго у самого пола под окнами. Холодный воздух, проникающий через окно, спускается вниз, попадает на горячие рёбра радиатора, прогревается, устремляется к потолку и постепенно циркулирует по всей комнате.
   • Тяга в печах и каминах: Горячие продукты горения топлива обладают значительно меньшей плотностью, чем окружающий холодный воздух. В высокой дымовой трубе возникает перепад давлений, который с силой выталкивает горячие газы наружу и засасывает свежую порцию воздуха с кислородом в топку. Чем выше труба, тем мощнее естественная тяга.
   • Морские бризы: Днём суша нагревается солнечными лучами быстрее морской воды. Тёплый воздух над берегом поднимается вверх, а на его место с моря дует прохладный дневной бриз. Ночью суша остывает значительно быстрее воды. Вода сохраняет дневное тепло, воздух над морем поднимается, и прохладный ветер поворачивает в сторону моря — дует ночной бриз.

1. Вынужденная конвекция: Происходит под действием внешних механических устройств, когда естественного перемешивания недостаточно:
   • Перемешивание супа ложкой в кастрюле для ускорения теплообмена;
   • Вентиляторы и воздушные кулеры, охлаждающие микропроцессоры компьютеров;
   • Циркуляционные водяные насосы, прокачивающие теплоноситель по сложным разветвлённым трубам больших зданий.

Конвекция в условиях невесомости: На борту орбитальных космических аппаратов сила тяжести скомпенсирована, поэтому сила Архимеда отсутствует. В космосе естественная конвекция невозможна в принципе. Если на космической станции зажечь свечу без принудительной вентиляции, пламя примет шарообразную форму, станет тускло-голубым и через несколько секунд погаснет: углекислый газ от горения не улетучивается вверх, а остаётся около фитиля, блокируя доступ свежего кислорода.