Hovedforskel - konvektion vs. stråling

Konvektion og stråling er begge mekanismer til varmeoverførsel. De gør det muligt at transportere termisk energi fra et sted til et andet. Det hovedforskel mellem konvektion og stråling er det konvektion er en mekanisme til varmeoverførsel, der involverer en massestrøm af materiale. Stråling er på den anden side en varmeoverførsel ved hjælp af elektromagnetisk energi. Følgelig kan stråling overføre varme gennem et vakuum.

Hvad er konvektion

Konvektion er mekanismen for varmeoverførsel i materialer gennem massestrømning af materialet. For at lede varme, bevæger dele af selve materialet sig - dvs. der er en masseoverførsel inden i materialet. Typisk forekommer konvektion i væsker. Imidlertid kan konvektionseffekter undertiden ses i faste stoffer, som i tilfælde af pladetektonik. Der er to hovedtyper af konvektion: naturlig og tvunget.

Konvektion er en kompleks proces, og der er ingen simpel ligning, der fuldt ud beskriver den. Vi kan dog benytte en tilnærmelse til tilfælde, hvor en væske opvarmes ved hjælp af en fast overflade. I disse tilfælde varmeoverførselshastigheden

er givet af,

hvor

er overfladearealet, som varme overføres gennem,

er temperaturen på det faste stof,

er luftens temperatur.

er kendt som den konvektive varmeoverførselskoefficient. Denne koefficient afhænger af en række egenskaber, herunder densiteten, viskositeten og væskens strømningshastighed.

Naturlig konvektion

I naturlig konvektion, strøm af materialer skyldes forskelle i tæthed. Lad os f.eks. Overveje, at en kedel vand bliver varmet op på et komfur. Når vandet varmes op i bunden af ​​kedlen, udvider det sig. Det betyder, at vandmolekylerne nu er placeret længere fra hinanden, hvilket får tætheden af ​​vand i bunden til at falde. Nu er vandet i bunden af ​​kedlen mindre tæt i forhold til vandet i toppen af ​​kedlen. På grund af densitetsforskellen stiger det varmere vand fra bunden til toppen, mens det koldere vand fra toppen synker til bunden. Processen gentages, indtil toppen og bunden begge har samme temperatur.

Den stigende varme væske kan ikke stige langs den samme linje, hvor den kolde væske synker. Derfor skal væsken bevæge sig vandret, før den stiger/synker i den næste cyklus. Dette sætter op konvektionsceller i væsken, som vist i diagrammet herunder.

Konvektionsceller

Naturlig konvektion er ansvarlig for luftstrømme, og det er også en af ​​de vigtigste faktorer, der er involveret i havstrømme.

Konvektion er også en vigtig faktor i pladetektonik. De indre dele af Jordens kappe er varmere end den ydre del, og det får konvektionsceller til at blive sat op i kappen. Kappen er solid, og materialets bevægelse i kappen er ret langsom, cirka 20 mm om året.

Konvektion i Jordens kappe

Tvungen konvektion

Tvunget konvektion opstår, når materialets bevægelse flyttes ved hjælp af en ekstern mekanisme, f.eks. ved hjælp af en ventilator eller en pumpe. Ventilatorvarmere er et godt eksempel på tvungen konvektion. I menneskekroppen fungerer hjertet også som en pumpe, der er ansvarlig for tvungen konvektion af varme omkring kroppen.

Hvad er stråling

Stråling beskriver overførsel af varme via elektromagnetisk stråling. På grund af kinetisk energi er molekyler, der udgør objekter, altid i bevægelse. Dette får ladninger i disse molekyler til at bevæge sig, hvilket resulterer i skabelse af elektromagnetiske bølger.

Den hastighed, hvormed et objekt udsender varme gennem stråling, er givet af Stefan-Boltzmann lov:

hvor

er objektets overfladeareal og

er dens absolutte temperatur.

er Stefan-Boltzmann konstant,

.

Mængden

Hedder emission. Det tager en værdi mellem 0 og 1.

er højere for mørkere genstande med mørkere overflader, som udsender og absorberer stråling godt. Skinnende overflader absorberer og udsender meget mindre stråling, og de har emissioner tættere på 0. En ideel overflade, der både er en perfekt absorber og en stråler, har en emissivitet på 1 og kaldes en sort krop.

Da objektet udsender stråling til omgivelserne, absorberer det også stråling fra omgivelserne. Hvis omgivelserne har en temperatur på

, den nettohastighed, hvormed et legeme udstråler varme, er givet ved

Hvis

der er en nettovarmestråling fra kroppen til omgivelserne.

Objekter udsender nogle bølgelængder af stråling mere end andre. Typisk, jo varmere kroppen, jo lavere bølgelængde, der udsendes mest. For eksempel bør varmere stjerner have en blåere farve (mindre bølgelængde) sammenlignet med koldere, rødere (større bølgelængde). Til en ideel sort krop ved en absolut temperatur

, Wiens lov giver bølgelængden

som udsendes mest:

Ved stuetemperatur er den primære bølgelængde, der udstråles af kroppe, i det infrarøde område. Grafen herunder viser energitætheden for en given bølgelængde, der udstråles af en sort krop ved flere forskellige temperaturer.

Stråling - Wiens lov

Termogrammer gør brug af termisk stråling, der udsendes af kroppen til at screene sygdomme, og infrarøde kameraer bruges til at "se" i mørket. Stråling fra fjerne stjerner bruges også til at måle afstanden mellem Jorden og stjernerne.

Forskellen mellem konvektion og stråling-Termogram af et energieffektivt hus i forgrunden, der udstråler meget mindre termisk energi sammenlignet med et traditionelt hus, der udstråler meget mere energi (baggrund)

Hvad er forskellen mellem konvektion og stråling

Oprindelse

Konvektion finder sted som følge af termisk ekspansion af stof.

Stråling er et resultat af ladningernes bevægelse i materialer på grund af molekylernes kinetiske energi.

Mekanisme

Konvektion involverer en overførsel af massen af ​​et materiale, typisk en væske.

Stråling involverer en elektromagnetisk bølge. Selve sagen bevæger sig ikke.

Medium

Konvektion kræver et medium.

Stråling kræver ikke et medium og kan overføre varme gennem et vakuum.

Temperaturafhængighed

Konvektion resulterer i en varmestrømningshastighed, der er omtrent direkte proportional med temperaturforskellen.

Stråling resulterer i en varmestrømningshastighed, der er afhængig af forskellen mellem fjerde kræfter i objektets temperaturer og omgivelserne.

Referencer

Liu et al., (2007). Konvektion i mindre skala i den øvre kappe under de kinesiske Tian Shan-bjerge. Jordens fysik og planetariske interiører (163), 179-190

Billede høflighed

"Center: konvektionsceller i et fartøj, top: varmeydelse, bund: varmeindgang" af Eyrian (eget arbejde) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

“Viser, hvordan havkamme dannes, litosfæren subduceret ved skyttegrave; god til at forstå pladetektonik. ” af Surachit (eget arbejde) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

"Wiens strålingslov / Prawo Wiena" af 4C (eget arbejde, baseret på JPG-version) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

“Termogram af en Passivhaus -bygning med traditionel bygning i baggrunden.” af Passivhaus Institut (Kopieret til Commons fra http://en.wikipedia.org. Original kilde Passivhaus Institut, Tyskland-http://www.passiv.de) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons