Кіріспе
Сұйықтың ағыны – сұйықтықтардың әртүрлі қасиеттері мен дене күштерінің әсерінен туындайтын ағын. Конвекция – материалдық қасиеттердің әртүрлілігі және дене күштерінің (әдетте тығыздық пен гравитация, яғни иілімділік) сұйыққа тигізетін әсерінен өздігінен пайда болатын бір немесе көп фазалы сұйықтың ағыны. Конвекцияның себебі нақты көрсетілмесе, жылулық кеңею мен иілімділіктің салдарынан туындайтын конвекция деп есептеуге болады. Конвекция жұмсақ қатты денелерде немесе бөлшектері ағып жүре алатын қоспаларда да кездесуі мүмкін. Конвекциялық ағын уақытша (мысалы, май мен судың көп фазалы қоспасы бөлінген кезде) немесе тұрақты болуы мүмкін (конвекциялық жасушаны қараңыз). Конвекция гравитациялық, электромагниттік немесе жолмайтын дене күштеріне байланысты болуы мүмкін. Жер атмосферасының, мұхиттарының және мантиісінің құрылымында жылуды табиғи конвекция арқылы беру маңызды рөл атқарады. Атмосферадағы дискретті конвекциялық жасушаларды бұлттар арқылы анықтауға болады, күшті конвекция нөсерге алып келеді. Жұлдыз физикасында да табиғи конвекция рөл атқарады. Конвекция көбінесе конвекциялық ағынды тудыратын басты факторға қарай жіктеледі немесе сипатталады, мысалы, жылулық конвекция. Көптеген қатты денелерде конвекция жүрмейді, себебі ішкі ток ағыны да, заттың маңызды диффузиясы да болмайды. Гранулярлық конвекция – сұйықтықтардың орнына гранулярлық материалдағы ұқсас құбылыс. Адвекция – жылу градиенттерінің орнына жылдамдық арқылы туындайтын сұйықтың қозғалысы. Конвективті жылу беру – жылу беру әдісі ретінде конвекцияны қасақана пайдалану. Конвекция – сұйықтар мен газдардың кең ауқымды қозғалысы арқылы жылудың бір жерден екінші жерге тасымалдану процесі.
Convection is single or multiphase fluid flow that occurs spontaneously due to the combined effects of material property heterogeneity and body forces on a fluid, most commonly density and gravity (see buoyancy). When the cause of the convection is unspecified, convection due to the effects of thermal expansion and buoyancy can be assumed. Convection may also take place in soft solids or mixtures where particles can flow. Convective flow may be transient (such as when a multiphase mixture of oil and water separates) or steady state (see Convection cell). The convection may be due to gravitational, electromagnetic or fictitious body forces. Heat transfer by natural convection plays a role in the structure of Earth's atmosphere, its oceans, and its mantle. Discrete convective cells in the atmosphere can be identified by clouds, with stronger convection resulting in thunderstorms. Natural convection also plays a role in stellar physics. Convection is often categorised or described by the main effect causing the convective flow; for example, thermal convection. Convection cannot take place in most solids because neither bulk current flows nor significant diffusion of matter can take place. Granular convection is a similar phenomenon in granular material instead of fluids. Advection is fluid motion created by velocity instead of thermal gradients. Convective heat transfer is the intentional use of convection as a method for heat transfer. Convection is a process in which heat is carried from place to place by the bulk movement of a fluid and gases.
Тарих
1830 жылдары Бриджвотер трактаттарында конвекция термині ғылыми мағынада кездеседі. Вильям Пруттың химия туралы кітабындағы VIII трактатында былай делінген: [ ] Бұл жылу қозғалысы үш түрде жүзеге асады, оны әдеттегі отын ошағы жақсы көрсетеді. Мысалы, егер термометрді тікелей оттың алдына қойсақ, ол тез арада көтеріле бастайды, температураның артуын көрсетеді. Бұл жағдайда жылу от пен термометр арасындағы кеңістік арқылы сәулелену деп аталатын процесс арқылы өтеді. Егер екінші термометрді тордың кез келген бөлігіне жанастырып, оттың тікелей әсерінен алшақ орналастырсақ, бұл термометр де температураның жоғарылағанын көрсетеді; бірақ мұнда жылу тордың металлы арқылы өткізгіштік деп аталатын процесс арқылы жүруі керек. Соңында, түтінге тікелей әсері жоқ, түтіндікке орналастырылған үшінші термометр де температураның айтарлықтай артуын көрсетеді; бұл жағдайда отқа жақын ауаның бір бөлігі қызып, оттан алған температураны түтін арқылы көтеріп әкеледі. Қазіргі тілімізде жылудың таралуының осы үшінші түрін білдіретін жеке термин жоқ; бірақ біз осы мақсатта конвекция терминін ұсынуға батылдық жасаймыз, [түсіндірме: [латынша] Convectio, тасымалдау немесе жеткізу], ол тек негізгі фактіні ғана емес, сонымен қатар басқа екі терминмен де үйлеседі. Кейінірек сол VIII трактатта метеорология туралы кітапта конвекция ұғымы "су арқылы жылудың берілу процесіне" де қолданылады.
[ ] This motion of heat takes place in three ways, which a common fire place very well illustrates. If, for instance, we place a thermometer directly before a fire, it soon begins to rise, indicating an increase of temperature. In this case the heat has made its way through the space between the fire and the thermometer, by the process termed radiation. If we place a second thermometer in contact with any part of the grate, and away from the direct influence of the fire, we shall find that this thermometer also denotes an increase of temperature; but here the heat must have travelled through the metal of the grate, by what is termed conduction. Lastly, a third thermometer placed in the chimney, away from the direct influence of the fire, will also indicate a considerable increase of temperature; in this case a portion of the air, passing through and near the fire, has become heated, and has carried up the chimney the temperature acquired from the fire. There is at present no single term in our language employed to denote this third mode of the propagation of heat; but we venture to propose for that purpose, the term convection, [in footnote: [Latin] Convectio, a carrying or conveying] which not only expresses the leading fact, but also accords very well with the two other terms. Later, in the same treatise VIII, in the book on meteorology, the concept of convection is also applied to "the process by which heat is communicated through water".
Терминология
Бүгінде конвекция сөзі әртүрлі ғылыми немесе инженерлік контексттерде немесе қолданыстарда әртүрлі, бірақ байланысты мағыналарда қолданылады. Сұйықтық механикасында конвекция кең мағынада қолданылады: ол тығыздық (немесе басқа да қасиеттер) айырмашылығының салдарынан туындайтын сұйықтың қозғалысын білдіреді. Термодинамикада конвекция көбінесе конвекция арқылы жылу алмасуды білдіреді, онда "Табиғи конвекция" префиксі конвекцияның сұйықтық механикасы түсінігін (осы мақалада қарастырылған) конвекциялық жылу алмасудан ажырату үшін қолданылады. Конвекциялық жасушаның әсеріне ұқсас нәтиже беретін кейбір құбылыстар да конвекцияның бір түрі деп (дәл емес) аталуы мүмкін; мысалы, термокапиллярлық конвекция және дәншекті конвекция.
Механизмдер
Конвекция бірнеше атомнан үлкен барлық масштабтағы сұйықтықтарда пайда болуы мүмкін. Конвекцияға қажетті күштердің туындауына себеп болатын түрлі жағдайлар бар, осылардың нәтижесінде конвекцияның әртүрлі түрлері қалыптасады, олар төменде сипатталған. Жалпы айтқанда, конвекция сұйықтықтың ішінде әрекет ететін дене күштері, мысалы, гравитация салдарынан пайда болады.
Табиғи конвекция
Табиғи конвекция – сұйықтың кейбір бөліктерінің басқа бөліктеріне қарағанда ауыр болуынан туындайтын қозғалыс. Көп жағдайда бұл табиғи айналымға алып келеді: жүйедегі сұйықтықтың ауырлық күші арқылы үздіксіз айналу қабілеті, соның нәтижесінде жылу энергиясы беріледі. Табиғи конвекцияның қозғаушы күші – гравитация. Сұйық бағанындағы қысым тереңдікке қарай жоғарыдағы сұйықтың салмағынан артады. Суға батқан дененің төменгі жағындағы қысым жоғарғы жағындағы қысымнан асып түседі, нәтижесінде денені ығыстырған сұйықтың салмағына тең жоғары қарай бағытталған серпімді күш пайда болады. Тығыздығы ығыстырылған сұйықтықтан жоғары заттар батып кетеді. Мысалы, жылы ауаның тығыздығы төмен аймақтары көтеріледі, ал суық ауаның тығыздығы жоғары аймақтары төмен түседі. Бұл айналымды ағыс тудырады: конвекция. Гравитация табиғи конвекцияны қозғалтады. Гравитация болмаса, конвекция болмайды, сондықтан еркін құлау (инерциялық) ортада, мысалы, орбитадағы Халықаралық ғарыш станциясында конвекция пайда болмайды. Табиғи конвекция ауа мен судың ыстық және суық аймақтарында пайда болуы мүмкін, себебі екеуі де қызғанда тығыздығы төмендейді. Бірақ, мысалы, әлемдік мұхиттарда тұзды судың тұщы судан ауыр болуына байланысты да конвекция пайда болады, сондықтан тұзды судың қабаты тұщы судың қабатының үстінде конвекцияны тудырады. Табиғи конвекция зерттеушілердің назарын табиғатта және инженерлік қолданыстарда кездесуіне байланысты қатты қызықтырды. Табиғатта күн сәулесімен жылытылған жердің немесе судың үстінен көтерілетін ауадан пайда болатын конвекциялық жасушалар барлық ауа райы жүйелерінің маңызды ерекшелігі болып табылады. Конвекция оттан шығатын ыстық ауаның жоғары қарай жылжуында, плиталардың қозғалысында, мұхит ағымдарында (термохалиндік айналымда) және теңіз желдерінің қалыптасуында (мұнда жоғары қарай конвекция Кориолис күштерімен де өзгереді) байқалады. Инженерлік қолданыстарда конвекция көбінесе балқыған металдарды салқындату кезінде микроқұрылымдардың қалыптасуында, жылуды таратуға арналған қанаттардың айналасындағы сұйықтық ағынында және күн тоғандарында көрінеді. Табиғи конвекцияның өте кең таралған өнеркәсіптік қолданылуы – желдеткіштердің көмегісіз еркін ауамен салқындату: бұл кішкентай масштабта (компьютерлік чиптерде) және ірі масштабтағы процестік жабдықтарда болуы мүмкін. Табиғи конвекция екі сұйықтық арасындағы тығыздық айырмашылығының үлкен болуымен, конвекцияны қозғайтын гравитация күшінің күшті болуымен немесе конвекциялық орта арқылы үлкен қашықтықпен жүруімен ықтимал және жылдам болады. Табиғи конвекция диффузияның жылдамдығы артуымен (осылайша конвекцияны тудыратын жылу градиентін таратып) немесе тұтқырлығы жоғары (қою) сұйықтықпен азайды. Табиғи конвекцияның басталуын Рейли саны (Ra) арқылы анықтауға болады. Сұйықтықтағы серпімді күштердің айырмашылығы температураның өзгеруінен басқа себептермен де туындауы мүмкін, мұндай жағдайда сұйықтың қозғалысы гравитациялық конвекция деп аталады (төменде қараңыз). Дегенмен, барлық түрдегі серпімді конвекция, соның ішінде табиғи конвекция, микрогравитациялық ортада болмайды. Олардың барлығы g күшін (инерциялық күшті) сезінетін ортаның болуын қажет етеді. Сұйықтықтың тығыздығының айырмашылығы – негізгі қозғаушы механизм. Егер тығыздықтың айырмашылығы жылудан туындаса, бұл күш «термиялық қысым» немесе «термиялық қозғаушы күш» деп аталады. Табиғи айналымға арналған сұйықтық жүйесінде жылу көзі мен жылу шығарушы болады. Олардың әрқайсысы жүйедегі сұйықтықтың бір бөлігімен байланысады, бірақ барлығымен емес. Жылу көзі жылу шығарушыдан төмен орналасады. Көптеген сұйықтықтар қызғанда кеңейіп, тығыздығы төмендейді, ал салқындағанда жиырылып, тығыздығы артады. Табиғи айналым жүйесінің жылу көзіне келгенде, қыздырылған сұйықтық оны қоршаған сұйықтықтан жеңіл болады және көтеріледі. Жылу шығарушыда жақын маңдағы сұйықтық салқындаған сайын тығыз болады және гравитация күшімен төмен тартылады. Бұл әсерлер жылу көзінен жылу шығарушыға және кері ағын тудырады.
Гравитациялық немесе жүзу конвекциясы
Гравитациялық конвекция – температурадан өзге материалдық қасиеттерінен туындайтын иілімнің өзгеруінен болатын табиғи конвекцияның бір түрі. Көбінесе бұл сұйықтың құрамының өзгеруіне байланысты болады. Егер өзгеретін қасиет концентрация градиенті болса, ол ерітінділік конвекция деп аталады. Мысалы, гравитациялық конвекцияны құрғақ тұздың көзінің тұзды суға батып, ылғалды топыраққа қарай диффузиясында байқауға болады, себебі тұзды судағы таза суның иілімі жоғары. Судың тұздылығының өзгеруі және ауа массаларындағы судың мөлшерінің өзгеруі мұхиттар мен атмосферадағы конвекцияның жиі кездесетін себептері болып табылады, бұл конвекция жылуды қамтымайды немесе термиялық кеңеюден (термохалиндік айналымды қараңыз) туындаған тығыздық өзгерістерінен өзге қосымша құралымдық тығыздық факторларын қамтиды. Сол сияқты, Жердің ішкі қабатындағы әлі толыққанды тұрақтылыққа және ең төменгі энергия деңгейіне жетпеген (яғни, ең тығыз бөліктері ең тереңде орналасқан) құралымның өзгеруі, Жердің ішкі қабатындағы сұйық тау жыныстары мен балқыған металлдың конвекциясының белгілі бір бөлігін тудырады (төменде қараңыз). Гравитациялық конвекция, табиғи жылу конвекциясы сияқты, болу үшін g күшінің қатысуын талап етеді.
Мұздағы қатты күйдегі конвекция
Плутонның мұздық конвекциясы азот мұзы мен көмірқышқыл газы мұзының жұмсақ қоспасында пайда болады деп саналады. Бұл құбылыс Еуропа және сыртқы Күн жүйесіндегі басқа да денелер үшін де ұсынылған. Сұйықтардағы жылулық конвекцияны көрсету үшін тағы бір жиі қолданылатын тәжірибе – боялған ыстық және суық сұйықтықтың ашық ыдыстарын орташа температурадағы боялмаған сол сұйықтың үлкен ыдысына батыру болып табылады (мысалы, қызыл боялған ыстық судың банкасы, көк боялған суық судың банкасы, бөлме температурасындағы мөлдір су резервуарына төмендетіледі). Үшінші тәсіл – екі бірдей банканы пайдалану, біреуі бір түсті ыстық сумен, екіншісі басқа түсті суық сумен толтырылады. Содан кейін бір банка уақытша (мысалы, қағазбен) жабылып, кері қайтарылып, екінші банканың үстіне қойылады. Қағазды алып тастағаннан кейін, егер ыстық суы бар банка үстіне қойылса, конвекция пайда болмайды. Егер суық суы бар банка үстіне қойылса, конвекциялық ағын өздігінен пайда болады. Газдардағы конвекцияны жабық кеңістіктегі шамды, кіретін және шығатын тесіктері бар жерде пайдалану арқылы көрсетуге болады. Шамнан шығатын жылу күшті конвекциялық ағын тудырады, оны ағын көрсеткішімен, мысалы, басқа шамнан шыққан түтін арқылы, тиісінше кіретін және шығатын жерлерге жақын босату арқылы көрсетуге болады.
Конвекциялық элементтер
Конвекциялық жасуша, сондай-ақ Бенард жасушасы деп аталады, көптеген конвекциялық жүйелердегі сұйықтың ағынының ерекше үлгісі болып табылады. Көтеріліп келе жатқан сұйық көбінесе жылуды жоғалтады, себебі ол салқын бетке тіреледі. Сұйықта бұл тікелей алмасу арқылы салқын сұйықпен жылу алмасу нәтижесінде жүзеге асады. Жер атмосферасы мысалында, бұл жылуды сәулелендіру арқылы болады. Осы жылу жоғалту салдарынан сұйықтың тығыздығы астындағы сұйықтың тығыздығынан артық болады, ол әлі де көтеріліп келе жатыр. Ол көтеріліп келе жатқан сұйық арқылы төмен түсе алмай, жаққа қарай жылжиды. Біршама қашықтықта оның төмен қарай бағытталған күші астындағы көтерілу күшін басып, сұйық төмен түсе бастайды. Төмен түскенде ол қайта жылынады және цикл қайталанады. Бұған қоса, конвекциялық жасушалар электролиттердің құрамындағы айырмашылықтарға байланысты туындайтын тығыздық өзгерістерінен де пайда болуы мүмкін.
Атмосфералық айналым
Атмосфералық айналым – ауаның кең ауқымды қозғалысы, және мұхит айналым жүйесінің баяу (кешіктірілген) жүйесімен бірге жылу энергиясының Жер бетінде таралуының құралы. Атмосфералық айналымның ірі масштабтағы құрылымы жылдан жылға өзгереді, бірақ негізгі климаттық құрылым тұрақты болып қалады. Ендіктік айналым орын алады, себебі бірлік ауданына шаққандағы күн сәулесі жылу экваторында ең жоғары, ал ендік арта келе төмендейді, полюстерде ең төменгі мәнге жетеді. Ол екі негізгі конвекциялық жасушадан – Хэдли жасушасы мен полярлық маңайдан тұрады, Хэдли жасушасы бұлт түзілу кезінде су буының конденсациясынан босатылатын жасырын жылу энергиясының әсерінен күшті конвекцияны бастан кешіреді. Ұзындықтық айналым, керісінше, мұхиттың құрлыққа қарағанда жоғары жылу сыйымдылығына (сондай-ақ жылу өткізгіштігіне, бұл жылудың беткейден тереңірек енуіне мүмкіндік береді) және осылайша жылуды көбірек сіңіруіне және бөлуіне, бірақ температураның құрлыққа қарағанда аз өзгеруіне байланысты туындайды. Осының нәтижесінде күндіз сумен салқындатылған теңіз желдері жағаға соғылады, ал түнде жермен салқындатылған құрлық желдері теңізге қарай шығады. Ұзындықтық айналым екі жасушадан тұрады: Уокер айналымы және Эль-Ниньо / Оңтүстік осцилляциясы.
Ауа райы
Кейбір жергілікті құбылыстар, әлемдік атмосфералық қозғалыстан гөрі, конвекцияға байланысты, оның ішінде желге және гидрологиялық циклдің кейбір бөліктеріне. Мысалы, фён – тау жотасының жел соғатын жағында пайда болатын төмен беткейлі жел. Ол ауаның адиабатикалық жылынуынан туындайды, оның ылғалдың көп бөлігі желге қарайтын беткейлерде буланып кетеді. Ылғалды және құрғақ ауаның әртүрлі адиабатикалық градиенттерінің салдарынан, жел соғатын беткейдегі ауа, желге қарсы беткейдегіге қарағанда жылырақ болады. Термиялық бағана (немесе термиялық) – Жер атмосферасының төменгі қабаттарындағы көтерілетін ауаның тік бөлігі. Термиялықтар Жер бетінің күн сәулесінен теңсіз қызуынан пайда болады. Күн жерді жылытады, ал жер өз кезегінде үстіндегі ауаны жылытады. Жылы ауа кеңейіп, айналадағы ауа массасынан тығыздығы төмендейді, соның салдарынан жылулық төмендеу пайда болады. Жеңіл ауа массасы көтеріледі, ал көтерілгенде ауа қысымы төмендегендіктен кеңейіп салқындайды. Ол айналадағы ауа температурасына дейін салқындағанда көтерілуін тоқтатады. Термиялық бағананы төмен қарай ағынмен қоршап тұрады. Төмен қарай қозғалатын сыртқы ағынға термиялықтың жоғарғы жағында ығысқан салқын ауа себеп болады. Конвекцияның нәтижесінде туындайтын тағы бір ауа райы құбылысы – теңіз бризі. Жылы ауаның тығыздығы салқын ауадан төмен болғандықтан, жылы ауа салқын ауаның ішінде көтеріледі, бұл ыстық ауа шарларына ұқсас. Бұлттар салыстырмалы түрде жылы ауа ылғалдылықпен бірге салқын ауаның ішінде көтерілгенде пайда болады. Ылғалды ауа көтерілгенде салқындап, көтерілген ауа пакетіндегі су буының бір бөлігі конденсацияланады. Ылғал конденсацияланғанда, ол конденсацияның жасырын жылуы деп аталатын энергияны бөліп шығарады, бұл көтерілген ауа пакетінің айналадағы ауадан аз салқындауына мүмкіндік береді, бұл бұлттың көтерілуін жалғастырады. Егер атмосферада жеткілікті тұрақсыздық болса, бұл процесс найзағай мен күркіреуге себеп болатын кумулонимбус бұлттарының қалыптасуына жеткілікті уақытқа созылады. Әдетте, найзағайдың қалыптасуы үшін үш жағдай қажет: ылғал, тұрақсыз ауа массасы және көтеру күші (жылу). Барлық найзағайлар, түріне қарамастан, үш кезеңнен өтеді: даму кезеңі, пісіп жетілу кезеңі және таралу кезеңі. Орташа найзағайдың диаметрі болады. Атмосферадағы жағдайларға байланысты, бұл үш кезеңнен өтуге орташа есеппен 30 минут уақыт кетеді.
Мұхит айналымы
Күн сәулесі мұхиттарға әсер етеді: экватордан келетін жылы су полюстерге қарай айналып өтеді, ал суық полярлық су экваторға қарай жылжиды. Жер бетіндегі ағымдар бастапқыда жер бетіндегі жел жағдайларымен анықталады. Тропиктік аймақтарда жел батысқа қарай, ал орта шаңдау ендіктерде шығысқа қарай соғады. Бұл жел үлгісі субтропикалық мұхит бетіне Солтүстік жарты шар бойынша теріс иіліммен, ал Оңтүстік жарты шар бойынша кері әсер етеді. Нәтижесінде Свердруп тасымалы экваторға қарай бағытталады. Субтропикалық қырқаның батыс шетіндегі полюске қарай жылжушы желдердің және полюске қарай жылжушы судың салыстырмалы айналуының артуынан туындаған потенциалды айналудың сақталуы салдарынан, тасымалдау тежегіш полюске қарай ағынмен теңестіріледі, ол мұхит алабының батыс шекарасы бойымен ағып, жоғары ендіктерден басталатын суық батыс шекарасы ағынының сүріну әсерін басып өтеді. Батыстық қарқындылық деп аталатын жалпы процесс мұхит алабының батыс шекарасындағы ағымдардың шығыс шекарасындағыларға қарағанда күшті болуына себеп болады. Полюске қарай жылжу кезінде, қатты жылы су ағынымен тасымалданатын жылы су булану салдарынан салқындатылады. Салқындату желмен жүзеге асырылады: су үстінен өтетін жел суды салқындатады және булануға себеп болады, нәтижесінде тұздылығы жоғары ерітінді қалдырылады. Бұл процесте су тұздырақ және тығыз болады, ал температурасы төмендейді. Теңіз мұзы қалыптасқанда, тұздар мұздан шығарылып қалады, бұл процесс тұздықты алып тастау деп аталады. Бұл екі процесс суды тығыз және суық етеді. Атлант мұхитының солтүстігіндегі су тығыздығы соншалыққа жетеді, одан ол тұздылығы және тығыздығы төмен су арқылы төмен қарай батып бастайды. (Бұл ашық мұхиттың конвекциясы лава шамдарының конвекциясына ұқсас.) Бұл ауыр, суық және тығыз судың төмен қарай ағыны Солтүстік Атлантиканың терең суының бір бөлігіне айналады, ол оңтүстікке қарай ағып барады.
Мантаның конвекциясы
Мантияның конвекциясы – Жердің ішкі бөлігінен жер бетіне жылу тасымалдайтын конвекциялық ағыстардың әсерінен туындаған, Жердің тас мантиясының баяу, жайлап қозғалысы. Бұл Жер бетінде тектоникалық тақталардың жылжуына себеп болатын үш негізгі күштің бірі. Жердің беткі қабаты бірнеше тектоникалық тақталарға бөлінген, олар қарама-қарсы тақта шекараларында үздіксіз құрылып және жойылып отырады. Құрылу (аккреция) пластинаның өсуімен бірге мантияның қосылуы нәтижесінде пайда болады. Бұл ыстық материал жылуды өткізгіштік және конвекция арқылы салқындайды. Пластинаның тұтыну жиектерінде материал термиялық жиырылып, тығыз болады және мұхит шұңқырында субдукция процесінде өзінің салмағымен батып кетеді. Бұл субдукцияланған материал Жердің ішкі қабатында белгілі бір тереңдікке жетеді, онда одан әрі батуына рұқсат етілмейді. Субдукцияланған мұхиттық қабық вулканизмді тудырады. Жер мантиясындағы конвекция – тектоникалық тақталардың қозғаушы күші. Мантияның конвекциясы жылу градиентінің нәтижесі болып табылады: төменгі мантия жоғарғы мантиядан ыстық, демек, тығыздығы төмен. Бұл екі негізгі тұрақсыздық түрін тудырады. Бірінші түрінде төменгі мантиядан қауырсындар көтеріліп, литосфераның тұрақсыз аймақтары мантияға қайта түседі. Екінші түрінде субдукцияланған мұхиттық тақталар (мантияның жоғарғы жылулық шекаралық қабатын құрайтын көп бөлігі) мантияға еніп, негізгі мантия шекарасына қарай төмен қарай жылжиды. Мантияның конвекциясы жылдамдығы жылына сантиметрлермен өлшенетіндей баяу, ал конвекция циклын аяқтау үшін жүздеген миллион жылдар қажет. Жер ядросынан алынған нейтрино ағыны өлшеулері (kamLAND-қа қараңыз) ішкі ядродағы жылудың шамамен үштен екісі 40K, уран және торийдің радиоактивті ыдырауынан пайда болатындығын көрсетеді. Бұл Жердегі тақталар тектоникасының Жердің қалыптасуынан қалған жылумен немесе Жердің ішкі қабатының тығыз бөліктерінің планета орталығына қарай физикалық орналасуынан туындаған гравитациялық потенциалдық энергиядан пайда болатын жылумен салыстырғанда әлдеқайда ұзаққа созылуына мүмкіндік береді (яғни, ұзаққа созылған құлау және тұру процесі).
Қорытынды әсер
Stack эффектісі немесе түтіндік эффекті – ғимараттарға, мұржаларға, газдарды шығару шахталарына немесе басқа да ыдыстарға ауаның температура мен ылғалдың айырмашылығынан туындайтын ішкі және сыртқы ауа тығыздығының өзгешелігі салдарынан, көтерілуі мен төмен түсуі. Термиялық айырмашылық пен құрылыстың биіктігі қанша үлкен болса, соғұрлым көтерілу күші артады, демек, түтіндік эффекті де күшейеді. Бұл эффекті табиғи желдетуді және ауаның ішке сіңуін қамтамасыз етуге көмектеседі. Кейбір салқындату мұнаралары осы принцип бойынша жұмыс істейді; сондай-ақ, күн энергиясын пайдаланып ауа ағынын жоғары көтеру мұнарасы – электр энергиясын өндіруге арналған ұсынылған құрылғы.
Жұлдыз физикасы
Жұлдыздың конвекциялық аймағы – энергияның негізгі бөлігінен сыртқа қарай негіздік сәулелену емес, конвекция арқылы тасымалданатын радиустар аралығы. Бұл радиустарда конвекция энергияны тасымалдауда сәулеленуден тиімді болады, себебі олар жеткілікті түрде тығыз. Күннің фотосферасындағы гранулалар – фотосферадағы конвекциялық жасушалардың көрінетін жоғарғы бөлігі, олар фотосферадағы плазманың конвекциясынан туындайды. Гранулалардың көтеріліп келе жатқан бөлігі плазманың ыстық бөлігінде орналасқан. Гранулалардың сыртқы шеті салқындаған плазманың төмен қарай қозғалуынан қараңғырақ болады. Типик грануланың диаметрі шамамен 1000 километрді құрайды және олар тарап кеткенше 8-20 минутқа дейін сақталады. Фотосфераның астында диаметрі 30 000 километрге дейін жететін және 24 сағатқа дейін өмір сүретін "супергранулалардың" қабаты орналасқан.
Судың мұздай суықта конвекциясы
Су - Буссинеск жуықтамасына бағынбайтын сұйықтық. Бұл оның тығыздығы температураға байланысты сызықты емес түрде өзгеруіне байланысты, бұл оның жылулық кеңею коэффициентінің тоңу температурасына жақын тұрақсыз болуына себеп болады. Судың тығыздығы 4 °C-та максималды мәнге жетеді және температурадан ауытқулармен бірге төмендейді. Бұл құбылыс эксперименттік және сандық әдістермен зерттеледі. Оң қабырғадағы судың салқындауы тығыздықты арттырады, бұл ағынды төмен қарай жылдамдатады. Ағын дами келе жане су одан әрі салқындағанда, тығыздықтың төмендеуі қуыстың төменгі оң бұрышында кері айналымды тудырады. Бұл құбылыстың тағы бір мысалы – судың қатты суынуы, онда су тоңу температурасынан төменге дейін салқындатылады, бірақ бірден қатып қалмайды. Бұрынғы жағдайлардағы сияқты ағын қалыптасады. Содан кейін оң қабырғаның температурасы -10 °C-қа дейін төмендейді. Бұл қабырғадағы судың қатты суынуына, сағат тіліне қарсы ағынның пайда болуына және бастапқыда жылы ағынды басып тастауына әкеледі. S8G АҚШ Әскери-теңіз күштерінің реакторлары, табиғи циркуляцияда толық қуаттың айтарлық бөлігінде жұмыс істеуге арналған, осы қозғалтқыш установкаларын тыныштандырды. S6G реакторы табиғи циркуляция кезінде қуатпен жұмыс істей алмайды, бірақ өшірілген кезде авариялық салқындатуды сақтау үшін оны пайдалануға болады. Табиғи циркуляцияның ерекшелігі бойынша, сұйықтықтар әдетте өте жылдам қозғалмайды, бірақ бұл міндетті түрде жаман емес, өйткені реактордың қауіпсіз және тиімді жұмыс істеуі үшін жоғары ағын жылдамдықтары қажет емес. Қазіргі заманғы ядролық реакторларда ағынды кері қайтару дерлік мүмкін емес. Барлық ядролық реакторларда, тіпті сұйықтықты айналдырудың негізгі әдісі ретінде табиғи циркуляцияны пайдалануға арналғандарда да, табиғи циркуляция жеткіліксіз болған жағдайда сұйықтықты айналдыра алатын сорғылар бар.
Конвекцияның математикалық модельдері
Конвекцияны сипаттау және болжау үшін бірқатар өлшемсіз шамалар туындыланды, оның ішінде Архимед саны, Грашоф саны, Ричардсон саны және Рэйли саны. Аралас конвекция жағдайында (табиғи және күшпен жүзеге асатын конвекция бірге болатын) конвекцияның қанша бөлігі сыртқы факторларға, мысалы, сорғыдағы сұйықтықтың жылдамдығына, ал қанша бөлігі жүйедегі табиғи конвекцияға байланысты екенін білу жиі қажет болады. Грашоф санының және Рейнольдс санының квадратының салыстырмалы мәндері конвекцияның қай түрі басым екенін анықтайды. Егер , күшпен болатын конвекцияні ескермеуге болады, ал егер , табиғи конвекцияні ескермеуге болады. Егер Ричардсон саны деп аталатын қатынас шамамен бірге тең болса, онда күшпен және табиғи конвекцияны ескеру қажет.
Турбуленттілік
Табиғи конвективті жүйенің турбуленттілікке ұмтылуы Грашоф санына (Gr) байланысты. Өте қою, тұтқыр сұйықтықтарда (үлкен ν) сұйықтық қозғалысы шектеледі және табиғи конвекция турбулентті болмайды. Бұрынғы бөлімде талданғандай, сұйықтың әдеттегі жылдамдығы жүйенің геометриясына байланысты сандық коэффициентке дейін шамамен , ретімен болады. Сондықтан Грашоф санын Рейнольдс санының табиғи конвекция жылдамдығымен ауыстырылған жылдамдыққа ие түрі деп қарастыруға болады. Дегенмен, практикада Рейнольдс саны туралы айтылғанда, мәжбүрлі конвекция қарастырылып, жылдамдық сыртқы факторлармен анықталған деп есептеледі (төменде қараңыз).
Үлгілеу
Конвекция, әсіресе Рейли-Бенард конвекциясы, онда конвекциялық сұйықтық екі қатаң көлденең тақтамен шектелген, үлгі құру жүйесінің қолайлы мысалы болып табылады. Жылу жүйеге бір бағыттан (әдетте төменнен) берілген кезде, кішкентай мәндерде сұйықтық ағынын тудырмай, төменнен жоғарыға қарай диффузия (өткізу) арқылы таралады. Жылу ағыны артқан сайын, Рейли санының сындық мәнінен асып кеткенде, жүйе тұрақты өткізгіш күйден конвекциялық күйге өтеді, онда жылудың әсерінен сұйықтың ірі қозғалысы басталады. Егер тығыздықтан басқа сұйықтық параметрлері температураға маңызды тәуелді болмаса, ағын профилі симметриялық болады, яғни сұйықтың көлемі төмен түскенге тең көтеріледі. Бұл Буссинеск конвекциясы деп аталады. Сұйықтың жоғарғы және төменгі бөлігі арасындағы температура айырмашылығы артқан сайын, температураға байланысты тығыздықтан басқа сұйықтық параметрлерінде маңызды өзгерістер пайда болуы мүмкін. Мұндай параметрдің мысалы – тұтқырлық, ол сұйықтың қабаттары бойынша көлденең бағытта айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Бұл жүйедегі симметрияны бұзады және әдетте жоғары және төмен қозғалатын сұйықтың үлгісін жолақтардан алтыбұрыштарға өзгертеді, оң жақта көрсетілгендей. Мұндай алтыбұрыштар конвекциялық жасушаның бір мысалы болып табылады. Рейли саны конвекциялық жасушалар алғаш пайда болғаннан кейін одан да артқанда, жүйе басқа бифуркацияларға ұшырауы мүмкін және спиральдар сияқты басқа да күрделі үлгілер пайда бола бастауы мүмкін.