対流は、物質内に温度または密度の違いがあるため、動いている流動流体です。
固体内の粒子は固定されているため、対流は気体と液体でのみ見られます。温度差は、エネルギーの高い領域からエネルギーの低い領域へのエネルギー移動につながります。
対流は熱伝達プロセスです。電流が発生すると、物質はある場所から別の場所に移動します。したがって、これも物質移動プロセスです。
自然に発生する対流は自然対流と呼ばれます または自然対流 .ファンやポンプを使用して流体を循環させる場合、強制対流と呼ばれます。 .対流によって形成されるセルは、対流セルと呼ばれます。 または Bénard cell .
形成される理由
温度差によって粒子が移動し、電流が発生します。ガスやプラズマでは、温度差によって密度の高い領域と低い領域が生じ、原子や分子が移動して圧力の低い領域を埋めます。
つまり、熱い液体は上昇し、冷たい液体は沈みます。エネルギー源 (太陽光、熱など) が存在しない限り、対流は均一な温度に達するまでしか続きません。
科学者は、対流を分類して理解するために、流体に作用する力を分析します。これらの力には以下が含まれます:
- 重力
- 表面張力
- 濃度差
- 電磁場
- バイブレーション
- 分子間の結合形成
対流は、スカラー輸送方程式である対流拡散方程式を使用してモデル化および記述できます。
対流とエネルギースケールの例
- 鍋で沸騰した水の対流を観察できます。エンドウ豆または紙片を数個追加するだけで、現在の流れを追跡できます。鍋の底にある熱源が水を加熱し、より多くのエネルギーを与え、分子をより速く動かします.温度変化も水の密度に影響します。水が表面に向かって上昇するとき、その一部は蒸気として逃げるのに十分なエネルギーを持っています.蒸発によって表面が冷やされ、一部の分子が再び鍋の底に向かって沈みます。
- 対流の簡単な例として、暖かい空気が家の天井や屋根裏に向かって上昇することがあります。暖かい空気は冷たい空気よりも密度が低いため、上昇します。
- 風は対流の一例です。太陽光や反射光が熱を放射し、温度差が生じて空気が移動します。日陰や湿った場所はより涼しく、熱を吸収できるため、効果が高まります。対流は、地球大気の地球規模の循環を促進するものの一部です。
- 燃焼により対流が発生します。例外は、無重力環境での燃焼には浮力がないため、高温のガスが自然に上昇せず、新鮮な酸素が炎に供給されることです。ゼロ g での最小限の対流により、多くの炎が独自の燃焼生成物で窒息します。
- 大気循環と海洋循環は、それぞれ空気と水 (水圏) の大規模な動きです。 2 つのプロセスは相互に連携して機能します。空気と海の対流が天候につながります。
- 地球のマントル内のマグマは、対流によって移動します。ホットコアはその上の物質を加熱し、地殻に向かって上昇させ、そこで冷却します.熱は、元素の自然な放射性崩壊から放出されるエネルギーと組み合わされて、岩にかかる強い圧力から生じます。マグマは上昇し続けることができないため、水平に移動して沈み込みます。
- 煙突効果または煙突効果は、煙突または煙道を通ってガスを移動させる対流を表します。建物の内外の空気の浮力は、温度や湿度の違いにより常に異なります。建物や煙突の高さを上げると、効果の大きさが増します。これが冷却塔の基本原理です。
- 太陽には対流が見られます。太陽の光球に見られる顆粒は、対流セルの頂点です。太陽や他の星の場合、流体は液体や気体ではなくプラズマです。
