Конвекция в окружающем мире

Конвекция – это движение неоднородно нагретой жидкости или газа, в результате которого среда перемешивается и в ней устанавливается постоянная температура. Конвекция встречается всюду в окружающем нас мире: дома в комнате, в кипящих чайнике или кастрюле, между оконными рамами, в атмосфере и океане Земли и других планет, в недрах Земли, в звёздах, в том числе в Солнце, а также в космосе при различных процессах.
В общем случае тепло от более нагретого тела к менее нагретому телу может передаваться тремя способами: с помощью теплопроводности, конвекции и излучения. В первом случае тепло передаётся колеблющимися молекулами без переноса вещества, при конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости, в третьем случае энергия переносится посредством электромагнитного излучения.
Рассмотрим механизм возникновения тепловой конвекции в газах и жидкостях. Холодный воздух, который соприкасается с газовой плитой, лампой, батареей или другой горячей поверхностью нагревается от неё и расширяется. Плотность расширившегося воздуха меньше, чем плотность холодного, и поэтому слой теплого воздуха всплывает в холодном воздухе, так как архимедова выталкивающая сила, действующая на тёплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, действующая на тёплый воздух, направленная вниз. Затем прогревается следующий слой воздуха и начинает двигаться вверх, вслед за первым, и всё повторяется. Таким образом, конвекция возникает не только в наших жилых помещениях, но и в природе.
Точно так же переносится энергия и при нагревании жидкости. Нагретые нижние слои жидкости выталкиваются холодной водой и поднимаются вверх. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается. Здесь, как и в газе, энергия переносится с одного места в другое с потоками вещества – воды. Именно так происходит прогревание воды в чайнике, в кастрюле с супом.
Конвекция широко используется в технике, например, в охладительных и нагревательных устройствах, при различных технологических процессах (в сталелитейной промышленности и др.). В том числе на конвекции основано нагревание и охлаждение воздуха в помещениях. Охлаждающие устройства располагают наверху, ближе к потолку, чтобы осуществлялась свободная конвекция, ведь холодный более плотный воздух будет опускаться, вытесняя тёплый менее плотный воздух, тем самым, охлаждая помещение в жаркую погоду. При подогреве сверху конвекция затруднена, так как нагретый тёплый воздух или жидкость не могут опуститься вниз. Из этих соображений обогревательные приборы располагают снизу. Благодаря конвекции воздух прогревается, а вблизи потолка комнаты становится теплее, чем вблизи пола.
В квартирах устанавливают двойные оконные рамы (бывает и тройные) для того, чтобы за счёт конвективных процессов снизить потери тепла в зимний период. Между оконными стёклами возникает конвективное движение: тёплый воздух поднимается у внутреннего более тёплого стекла, а холодный воздух опускается у наружного более холодного стекла, снизу и сверху воздушные потоки замыкаются. При этом происходит передача тепла от внутреннего стекла  наружному. Но этот процесс идёт медленнее, чем, если бы было одно окно.
Мы рассмотрели свободную естественную тепловую конвекцию. Если же неравномерно нагретую жидкость или газ перемешивать насосом или мешалкой, то произойдёт вынужденная конвекция. Часто под конвекцией понимают не только движение среды, вызванное неоднородным нагревом (тепловую конвекцию), но также движение жидкости или газа, вызванное другими причинами, например, действием вибраций, электрического или магнитного полей. Дальше под конвекцией мы будем иметь в виду тепловую конвекцию.
В атмосфере ветры представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Конвекцией объясняются, например, ветры бризы, возникающие на берегах морей. Они возникают из-за неодинакового нагревания поверхности земли и воды солнцем, а также разной скорости их охлаждения ночью.
В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем поверхность моря, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой. В сравнительно прозрачной воде теплота солнечных лучей распространяется на значительную глубину и изменение температуры поверхности будет мало, в то время как на суше нагревается лишь самый поверхностный слой почвы. Плотность воздуха уменьшается, он поднимается, и его давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате,  к месту пониженного давления по низу притекает более холодный воздух с моря – дует ветер. Это и есть дневной бриз. Ночью наблюдается обратное явление: суша, прогретая за день только в тонком слое, остывает быстрее, чем вода, остывает и увеличивает свою плотность и воздух над сушей. Вода же охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Образуется ночной бриз – холодный ветер от берега к морю.
Конвективные процессы происходят и внутри звёзд, в том числе и в Солнце. Согласно современным представлениям, термоядерные реакции (реакции превращения одних химических элементов в другие с большим выделением энергии) происходят только в центральных областях Солнца, простирающихся не далее 0,3 радиуса от его центра. Ближе к поверхности источников энергии нет. Значит, энергия, выделяющаяся в результате термоядерного синтеза, должна быть передана наружу через толщу раскалённой плазмы. От 0,3 до 0,7 радиуса Солнца (от центра) энергия передаётся излучением от слоя к слою. При этом слои не меняются своими местами, а энергия, излученная нижним слоем, поглощается верхним и затем переизлучается им и т. д. Происходит очень медленное в течение не менее миллиона лет «просачивание» излучения от центра Солнца к поверхности. Примерно на расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его поверхности основным процессом переноса энергии из глубины наружу становится конвекция, при которой вещество перемешивается – вертикально поднимается и опускается, подобно воде в сосуде, подогреваемой снизу. Конвективная зона простирается до фотосферы (нижний слой солнечной атмосферы), и о происходящей в подфотосферных слоях конвекции свидетельствует грануляция на поверхности Солнца. На поверхности Солнца с помощью телескопа можно увидеть множество зёрен (гранул). Размеры гранул неодинаковы и составляют в среднем несколько сотен километров. Время существования отдельных гранул – около 8 мин. Непрерывно появляющиеся и исчезающие гранулы свидетельствуют о том, что вещество, из которого состоит фотосфера, находится в непрерывном конвективном движении. Гранулы – это верхушки конвективных потоков, проникающих в фотосферу. Гранулы всегда наблюдаются на всей поверхности Солнца, которую можно сравнить с огромным кипящим котлом с рисовой кашей (с температурой поверхности около 6000 градусов К).
При замедлении конвекции на поверхность поступает меньше энергии, там образуются более холодные и тёмные участки фотосферы – солнечные пятна. Кроме того, на Солнце наблюдаются факелы – детали более светлые (а значит, и более горячие), чем фотосфера. Они возникают незадолго до появления солнечных пятен и существуют в среднем в три раза дольше пятен. В местах, где наблюдаются факелы, на поверхность Солнца выносится более горячее вещество, чем в других участках фотосферы. Это связано с местным усилением конвекции в подфотосферных слоях.