Конвекция

Жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, батареи отопления, от которых нагревается воздух в комнате, помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

Поместив руку над горячей плитой или над гонящей лампой, мы заметим, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи могут даже вращать небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 185). Здесь мы наблюдаем иной вид теплопередачи, который называют конвекцией.

При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости. Воздух, который соприкасается с плитой или лампой, нагревается от ее поверхности и расширяется. Плотность расширившегося воздуха меньше, чем плотность холодного, и поэтому слой теплого воздуха всплывает в холодном воздухе. Ведь архимедова сила, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, действующая на теплый воздух, направленная вниз. Затем прогревается и- начинает двигаться вверх следующий слой холодного воздуха и т. д.

Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Чтобы заметить перемещение слоев жидкости при нагревании, опускают на дно стеклянной колбы кристаллик красящего вещества, например марганцовокислого калия, и ставят колбу на огонь. Замечают, что вода начинает перемещаться по замкнутым линиям — циркулировать: нагретые нижние слои воды выталкиваются холодной водой и поднимаются вверх (рис. 186). Благодаря циркуляции вся вода равномерно прогревается. Здесь, как и в газе, энергия переносится с одного места на другое с потоками вещества — воды.

Конвекция происходит в наших жилых комнатах (рис. 187), благодаря чему нагревается воздух в них.

Мы рассмотрели конвекцию, которая является естественной, или свободной. Если же неравномерно нагретую жидкость (или газ) перемешивать насосом или мешалкой, то произойдет вынужденная конвекция.

Теперь можно ответить на вопрос, поставленный в начале этого параграфа: почему жидкости и газы нагревают, как правило, снизу? Попробуем прогреть воду, налитую в пробирку, так, как показано на рисунке 188. Верхний слой воды закипит, а нижние слои останутся холодными. Если на дно пробирки поместить кусочки льда, они даже не растают. Почему? При таком способе нагревания не может происходить конвекция, ведь нагретые слои воды не могут опуститься ниже холодных, более тяжелых слоев. Может быть, вода прогреется благодаря теплопроводности? Но, как видно из этого опыта, теплопроводность воды мала, и пришлось бы очень долго ждать, пока вода прогреется. Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух в пробирке, если его нагревать сверху (рис. 189).

В твердых телах, где свобода движения молекул ограничена, конвекция происходить не может. Вспомним, что каждая частица кристаллического твердого тела лишь колеблется около одной точки, удерживаемая сильным взаимным притяжением с другими частицами. Поэтому при нагревании твердого тела в нем не могут образовываться потоки вещества. Повседневный опыт подтверждает это. В твердых телах энергия передается теплопроводностью.

Вопросы.

1. Опишите опыт, показывающий, что воздух над нагретой лампой перемещается. 2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой. 3. Объясните, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь. 4. В чем состоит явление конвекции? 5. Чем отличается естественная конвекция от вынужденной? 6. Почему жидкости и газы нагревают снизу? 7. Почему конвекция невозможна в твердых телах?