جریان های همرفت: چرخه های گرمایی و تاثیرات آن ها در مایعات و گازها

جریان های گرمایی به چرخه های حرارتی اطلاق می شوند که انرژی را از یک مکان به مکان دیگر منتقل می کنند.

از آنجا که ذرات موجود در جامدات در مکان خود ثابت هستند، جریان های گرمایی فقط در گازها و مایعات قابل مشاهده اند. تفاوت دما منجر به انتقال انرژی از ناحیه ای با انرژی بیشتر به ناحیه ای با انرژی کمتر می شود.

جریانی که به طور طبیعی اتفاق می افتد، کنش طبیعی یا کنش آزاد نامیده می شود. اما اگر مایعی با استفاده از یک فن یا پمپ به گردش درآید، به آن کنش اجباری می گویند. سلولی که توسط جریان های گرمایی ایجاد می شود، سلول کنش یا سلول بنارد نام دارد.

چرا جریان های گرمایی شکل می گیرند؟

تفاوت دما باعث حرکت ذرات و ایجاد جریان می شود. در گازها و پلاسما، تفاوت دما همچنین منجر به ایجاد نواحی با چگالی بالا و پایین می شود که در آن اتم ها و مولکول ها برای پر کردن نواحی با فشار کم حرکت می کنند.

به طور خلاصه، مایعات گرم به سمت بالا حرکت می کنند در حالی که مایعات سرد فرو می روند. مگر اینکه منبع انرژی وجود داشته باشد (مثل نور خورشید یا گرما)، جریان های گرمایی تنها تا زمانی که دما یکنواخت شود، ادامه پیدا می کنند.

دانشمندان نیروهای مؤثر بر روی یک مایع را برای دسته بندی و درک جریان های گرمایی تحلیل می کنند. این نیروها ممکن است شامل موارد زیر باشند:

• جاذبه
• تنش سطحی
• تفاوت های غلظت
• میدان های الکترومغناطیسی
• اهتزازات
• تشکیل پیوند بین مولکول ها

جریان های گرمایی می توانند با استفاده از معادلات انتقال گرما و دیفوزیون مدل سازی و توصیف شوند که معادلات حمل و نقل اسکالر هستند.

مثال هایی از جریان های گرمایی و مقیاس انرژی

• شما می توانید جریان های گرمایی را در آبی که در حال جوشیدن در یک قابلمه است مشاهده کنید. با افزودن چند نخود یا تکه های کاغذ می توانید مسیر جریان را دنبال کنید. منبع گرما در پایین قابلمه، آب را گرم می کند، انرژی بیشتری به آن می دهد و باعث می شود مولکول ها سریع تر حرکت کنند. تغییر دما همچنین بر چگالی آب تأثیر می گذارد. همان طور که آب به سطح بالا می رود، برخی از آن به اندازه ای انرژی دارد که به صورت بخار فرار کند. تبخیر سطح را به حدی خنک می کند که برخی مولکول ها دوباره به سمت پایین قابلمه فرو می روند.
• یک مثال ساده از جریان های گرمایی، هوای گرمی است که به سمت سقف یا عمارتی در خانه حرکت می کند. هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای سرد دارد، بنابراین به سمت بالا می رود.
• وزش باد یک مثال از یک جریان گرمایی است. نور خورشید یا نور منعکس شده، گرما را منتشر کرده و تفاوت دما ایجاد می کند که باعث حرکت هوا می شود. مناطق سایه دار یا مرطوب سردتر هستند و یا قادر به جذب گرما هستند که به این تأثیر می افزاید. جریان های گرمایی بخشی از آنچه که به گردش جهانی جو زمین کمک می کنند.
• احتراق جریان های گرمایی ایجاد می کند. استثنا این است که احتراق در یک محیط بی وزن فاقد شناوری است، به طوری که گازهای گرم طبیعی بالا نمی روند و اکسیژن تازه نمی تواند شعله را تغذیه کند. حداقل جریان در محیط بدون جاذبه باعث می شود که بسیاری از شعله ها در محصولات احتراق خود خفه شوند.
• گردش جوی و اقیانوسی حرکات در مقیاس بزرگ و به ترتیب هوا و آب هستند. این دو فرآیند به طور همزمان کار می کنند. جریان های گرمایی در هوا و دریا منجر به آب و هوا می شوند.
• ماگما در گوشته زمین در جریان های گرمایی حرکت می کند. هسته داغ ماده، بالای خود را گرم می کند و باعث می شود به سمت قشر زمین بالا برود، جایی که خنک می شود. گرما از فشار شدید بر روی سنگ ناشی می شود که با انرژی آزاد شده از تجزیه رادیواکتیو طبیعی عناصر ترکیب می شود. ماگما نمی تواند به بالا برود، بنابراین به صورت افقی حرکت می کند و دوباره به پایین می رود.
• اثر دودکش یا اثر استک، جریان های گرمایی را توصیف می کند که گازها را از طریق دودکش ها یا لوله ها حرکت می دهند. شناوری هوا درون و بیرون یک ساختمان همیشه به دلیل تفاوت های دما و رطوبت متفاوت است. افزایش ارتفاع یک ساختمان یا استک، شدت این اثر را افزایش می دهد. این اصل پایه ای است که بر اساس آن برج های خنک کننده ساخته می شوند.
• جریان های گرمایی در خورشید مشهود هستند. دانه هایی که در فتوکره خورشید مشاهده می شوند، بالای سلول های جریانی هستند. در مورد خورشید و سایر ستاره ها، مایع، پلاسما است نه مایع یا گاز.