Vjerovatno ste čuli za konvekcijske struje kada smo raspravljali o različitim slojevima Zemlje . Kada govorimo o konvekcijskim strujama u unutrašnjosti Zemlje, mislimo na razlike u gustoći materijala koji čine Zemljin plašt. Postoje i konvekcijske struje uzrokovane kretanjem fluida zbog temperaturnih razlika. U ovom članku ćemo vam reći sve o tome.
Šta su konvekcijske struje
Kada naiđemo na fluide koji se pomjeraju i kreću zbog razlike u temperaturi ili gustoći, imamo konvekcijske struje . Da bi ova vrsta struje postojala, mora postojati fluid, bilo tekućina ili plin. To je zato što su čestice unutar čvrste tvari fiksne i ne kreću se; stoga se tok zbog razlika u temperaturi ili gustoći ne može posmatrati. Nadalje, ovaj fenomen je važan u proučavanju zemaljske konvekcije .
Razlika između temperatura jednog ili drugog područja unutar istog materijala je ono što uzrokuje prijenos energije s veće površine na manju. Konvekcija se odvija sve dok ne dođe do potpune ravnoteže. Kada se ovaj proces dogodi zbog prijenosa topline, stvaraju se struje materije koje se premještaju s jednog mjesta na drugo. Stoga se to također smatra postupkom masovnog prijenosa.
Prirodne konvekcijske struje nazivaju se i slobodna konvekcija . Ako se, na primjer, ova konvekcija odvija unutar uređaja kao što je ventilator ili pumpa, naziva se prisilna konvekcija.
Zašto nastaju konvekcijske struje?
Ova vrsta fenomena nastaje zbog temperaturne razlike koja uzrokuje kretanje čestica, stvarajući struju. Ova struja se može pojaviti i kada postoji razlika u gustoći. Normalno, tok se kreće iz područja više temperature ili gustoće u područje niže temperature i gustoće. Ove konvekcijske struje se također javljaju u zraku . Atmosferski tokovi pritiska pušu iz područja veće gustoće u područja niže gustoće. U slučaju oluja, područje niskog pritiska bit će meta smjera vjetra, kao što se primjećuje kod kumulonimbusnih oblaka tokom jakih vremenskih nepogoda.
To je ono što čini zonu niskog pritiska mjestom gdje ima kiše, pa čak i oluje. Kada struja prenosi toplotu iz zone visoke energije u zonu niske energije, dolazi do te konvekcije. U plinovima i u plazmi pijeska i centralne temperature koja također dovodi do područja veće i niže gustine, gdje se atomi i molekuli kreću ispunjavajući praznija područja. Rezimirano se može reći da vruće tekućine rastu, dok hladne kontinuirano tonu.
Ovo će se dogoditi prirodno osim ako ne postoji izvor energije, poput sunčeve svjetlosti ili izvora topline, koji mijenja smjer ovih struja. Konvekcijske struje se nastavljaju sve dok temperature i gustoće ne budu ujednačene. Postizanje potpuno ujednačenih temperatura i gustoća u svim Zemljinim slojevima je složenije. To je zato što se kontinentalna kora stalno stvara i uništava, stoga kontinuirano uključuje materijale različitih temperatura i gustoća u Zemljin plašt. A da ne spominjemo temperature unutar unutrašnjeg jezgra.
Materijali u unutrašnjem jezgru naše planete su čvrsti zbog jakog pritiska koji postoji u centru. S druge strane, vanjsko jezgro ima fluidne materijale jer, iako su temperature vrlo visoke, ne postoji tako snažan pritisak.
Zbog ovog kontinuiranog unošenja materijala i tako velike razlike u temperaturi i gustoći, postoje takozvane konvekcijske struje plašta, koje su uzrok tektonskog kretanja ploča i fenomena poput vulkanizma.
Neki primjeri
Da bismo ovo jasnije ilustrovali, razmotrimo sljedeće: mnogi naučnici analiziraju sile koje djeluju na fluid kako bi kategorizirali i razumjeli konvekciju. Ove sile mogu uključivati gravitaciju, površinsku napetost, elektromagnetna polja, vibracije, razlike u koncentraciji i formiranje veza između molekula. Ove konvekcijske struje mogu se modelirati i opisati korištenjem različitih skalarnih transportnih jednačina.
Primjer konvekcije je struja koja se javlja u kipućoj vodi unutar lonca. Dodavanje nekoliko zrna graška ili komada papira radi posmatranja toka otkriva kako izvor toplote unutar lonca zagrijava vodu, dajući joj energiju i uzrokujući brže kretanje molekula. Uvođenje hladnijeg materijala također utiče na gustinu vode. Kako se voda diže na površinu, dio njene energije izlazi kao para. Ovo isparavanje hladi površinu dovoljno da se neke molekule vrate na dno lonca.
Drugi primjer konvekcijske struje toplog zraka je ona koja se javlja u kući kada se zrak diže kroz strop ili potkrovlje. To je zato što je topli zrak manje gust od hladnog zraka, pa ima tendenciju da se diže. Kao što je već spomenuto, to možemo vidjeti i kod vjetra. Sunčeva svjetlost i zračenje zagrijavaju zrak u atmosferi, stvarajući temperaturnu razliku koja uzrokuje kretanje zraka. Što je veća temperaturna razlika između jednog područja i drugog, to će vjetar biti jači. To je zato što će se više zraka kretati iz područja višeg pritiska u područje nižeg pritiska.
