1.4. Konvekcija

Šilumą taip pat gali perduoti judėdami skysčiai ar dujos. Šilumos perdavimas skysčių ar dujų srautais vadinamas konvèkcija (lot. convectio – suvežimas, sunešimas).

Konvekcijos rūšys Konvekcija būna dviejų rūšių: laisvóji (natūralioji) ir priversti̇̀nė. Laisvoji konvekcija vyksta skysčiuose arba dujose, kai jų temperatūra ir tankis įvairiose vietose yra skirtingas. Dėl to skystis ar dujos pradeda maišytis ir susidaro vadinamosios konvèkcinės srõvės. Jos perneša šilumą iš vienos skysčio ar dujų vietos į kitą ir pamažu sušyla visas skystis (dujos). Konvekcija yra priverstinė, kai medžiagos dalelės juda dėl kokio nors išorinio poveikio, pavyzdžiui, siurblio, maišytuvo. Kietuosiuose kūnuose, net ir šildomuose, konvekcija nevyksta, mat jų dalelės dėl stiprios sąveikos negali pasislinkti, taigi kietuosiuose kūnuose nesusidaro medžiagos srautų.

1 bandymas. 1.12 paveiksle pavaizduotą popierinį sukutį palaikykime virš degančios spiritinės lemputės. Nuo jos kylantis šilto oro srautas privers sukutį suktis. Stipriu šviesos šaltiniu (pavyzdžiui, projekciniu aparatu) apšvietę šį oro srautą iš šono, ekrane matytume kylantį jo šešėlį.

2 bandymas. Į prietaisą konvekcijai demonstruoti (1.13 pav.) arba stiklinę kolbą įpilkime šalto vandens. Atsargiai nugramzdinkime į dugną kelis kalio permanganato grūdelius. Ties ta vieta kaitindami spiritine lempute indą, matome, kaip juda dažyto vandens srautai. Stebėjome konvekcijos reiškinį, vykstantį netolygiai kaitinamame ore (dujose) ir vandenyje (skystyje). Šildoma oro ir vandens dalis išsiplėtė, jos tankis sumažėjo. Archimedo jėga, kuria šaltas oras ar vanduo stumia aukštyn šiltą orą ir vandenį, yra didesnė už šilto oro ar vandens svorį. Dėl to sušilęs sluoksnis juda į viršų, kartu pernešdamas šilumą. Į jo vietą nugrimzta vėsesnis ir sunkesnis viršutinis sluoksnis. Maišantis šiltiems ir šaltiems oro ar vandens sluoksniams, jų temperatūra po kurio laiko susilygina (jei kuris nors iš jų nuolat nešildomas).

Jeigu orą arba vandenį kaitintume iš viršaus, apačioje jis ilgai nesušiltų. Mat viršutiniai, lengvesni, sluoksniai negalėtų nusileisti žemiau šaltų, sunkesnių. Tuo galėjome įsitikinti atlikdami 1.6 ir 1.7 paveiksle pavaizduotus bandymus.

Praktinė konvekcijos reikšmė Puodai, keptuvės ir arbatinukai visada šildomi iš apačios, o šaldytuvo šaldymo elementas ir kondicionieriai įrengiami viršuje. Centrinio šildymo radiatoriai patalpose montuojami netoli grindų (1.14 pav.), o orlaidės – viršutinėje lango dalyje.

Konvekcijos principu gali veikti nedidelio namo centrinio šildymo sistema (1.15 pav.). Katile (jis dažniausiai įtaisomas namo rūsyje) šildomas vanduo plečiasi, jo tankis mažėja ir karštas vanduo vamzdžiais kyla aukštyn, į kambarių radiatorius. Čia jis didelę dalį savo vidinės energijos šilumos laidumo būdu perduoda radiatoriams ir atvėsta. Paskui vėsus vanduo kitais vamzdžiais teka žemyn, į katilą, ir vėl šildomas. Taip jis cirkuliuoja nesustodamas be siurblių.

Konvekcija pagrįstas ir krosnių kūrenimas. Kurui degti reikia oro deguonies, be to, būtina pašalinti degimo produktus. Dėl to pakuroje turi būti gera trauka. Nedidelių katilinių ir krosnių dūmtraukiuose ji atsiranda dėl to, kad karštų dujų dūmtraukio viduje ir lauko oro tankis yra nevienodas. Į krosnį srūvantis tankesnis šaltas oras tiekia deguonį ir stumia į viršų retesnes karštas dujas (veikia Archimedo jėga). Kuo aukščiau virš pakuros iškilęs dūmtraukis, tuo didesnė trauka. Dėl to kaminai ir statomi aukšti. Atmosferoje konvekcijos būdu pernešami didžiuliai oro srautai (pučia vėjai), kartu ir milžiniški energijos kiekiai. Dėl konvekcijos čia susidaro debesys, iš kurių gali iškristi krituliai, vandenyne susimaišo vanduo, todėl pakilęs į viršų šiltesnis vanduo sušvelnina pajūrio klimatą. Konvekcija vyksta ir Žemės, Saulės bei žvaigždžių gelmėse.