Jika Anda mendekatkan tangan ke lampu listrik yang menyala atau meletakkan telapak tangan di atas kompor panas, Anda dapat merasakan pergerakan arus udara hangat. Efek yang sama dapat diamati ketika selembar kertas diayunkan di atas nyala api terbuka. Kedua efek dijelaskan oleh konveksi.
Apa itu?
Fenomena konveksi didasarkan pada pemuaian zat yang lebih dingin yang bersentuhan dengan massa yang panas. Dalam keadaan seperti itu, zat yang dipanaskan kehilangan kerapatannya dan menjadi lebih ringan dibandingkan dengan ruang dingin di sekitarnya. Paling akurat, karakteristik fenomena ini sesuai dengan pergerakan aliran panas ketika air dipanaskan.
Pergerakan molekul dalam arah yang berlawanan di bawah pengaruh pemanasan adalah dasar konveksi. Radiasi dan konduktivitas termal adalah proses yang serupa, tetapi mereka terutama menyangkut transfer energi panas dalam padatan.
Contoh nyata konveksi - pergerakan udara hangat di tengah ruangan dengan pemanasanperalatan, ketika aliran panas bergerak di bawah langit-langit, dan udara dingin turun ke permukaan lantai. Itulah sebabnya, saat penghangat ruangan dinyalakan, udara di bagian atas ruangan terasa lebih hangat dibandingkan dengan bagian bawah ruangan.
Hukum Archimedes dan ekspansi termal benda fisik
Untuk memahami apa itu konveksi alami, cukup mempertimbangkan prosesnya menggunakan contoh hukum Archimedes dan fenomena pemuaian benda di bawah pengaruh radiasi termal. Jadi, menurut hukum, peningkatan suhu pasti menyebabkan peningkatan volume cairan. Cairan yang dipanaskan dari bawah dalam wadah naik lebih tinggi, dan kelembaban dengan kepadatan lebih tinggi, masing-masing, bergerak lebih rendah. Dalam kasus pemanasan dari atas, semakin sedikit cairan padat akan tetap berada di tempatnya, dalam hal ini fenomena tersebut tidak akan terjadi.
Munculnya konsep
Istilah "konveksi" pertama kali diusulkan oleh ilmuwan Inggris William Prout pada tahun 1834. Itu digunakan untuk menggambarkan pergerakan massa termal dalam cairan yang bergerak dan dipanaskan.
Studi teoretis pertama tentang fenomena konveksi baru dimulai pada tahun 1916. Selama percobaan, ditemukan bahwa transisi dari difusi ke konveksi dalam cairan yang dipanaskan dari bawah terjadi ketika nilai suhu kritis tertentu tercapai. Kemudian, nilai ini didefinisikan sebagai "Nomor Roel". Itu dinamai peneliti yang mempelajarinya. Hasil eksperimen memungkinkan untuk menjelaskan pergerakan aliran panas di bawah pengaruh gaya Archimedes.
Jenis Konveksi
Ada beberapa jenis fenomena yang kami gambarkan - konveksi alami dan konveksi paksa. Contoh pergerakan aliran udara panas dan dingin di tengah ruangan adalah cara terbaik untuk mencirikan proses konveksi alami. Sedangkan untuk paksa, dapat diamati saat mencampur cairan dengan sendok, pompa atau pengaduk.
Konveksi tidak mungkin terjadi jika padatan dipanaskan. Ini karena gaya tarik timbal balik yang agak kuat selama getaran partikel padatnya. Sebagai hasil dari pemanasan benda struktur padat, konveksi dan radiasi tidak terjadi. Konduktivitas termal menggantikan fenomena ini dalam benda tersebut dan berkontribusi pada transfer energi panas.
Yang disebut konveksi kapiler adalah jenis yang terpisah. Proses tersebut terjadi ketika suhu berubah selama pergerakan fluida melalui pipa. Dalam kondisi alami, signifikansi konveksi seperti itu, bersama dengan konveksi alami dan paksa, sangat tidak signifikan. Namun, dalam teknologi ruang angkasa, konveksi kapiler, radiasi, dan konduktivitas termal bahan menjadi faktor yang sangat signifikan. Bahkan gerakan konvektif terlemah dalam kondisi tanpa bobot membuat sulit untuk menerapkan beberapa tugas teknis.
Konveksi pada lapisan kerak bumi
Proses konveksi terkait erat dengan pembentukan alami zat gas dalam ketebalan kerak bumi. Bola dunia dapat dianggap sebagai bola yang terdiri dari beberapa lapisan konsentris. Di bagian paling tengah adalah inti panas masif, yang merupakan massa cairan berdensitas tinggi yang mengandung besi,nikel, serta logam lainnya.
Lapisan inti bumi yang mengelilinginya adalah litosfer dan mantel semi-cair. Lapisan atas bola bumi secara langsung adalah kerak bumi. Litosfer terbentuk dari lempeng individu yang bergerak bebas, bergerak di sepanjang permukaan mantel cair. Selama pemanasan yang tidak merata dari berbagai bagian mantel dan batuan, yang berbeda dalam komposisi dan kepadatan yang berbeda, aliran konvektif terbentuk. Di bawah pengaruh arus seperti itulah transformasi alami dasar laut dan pergerakan benua-benua bantalan terjadi.
Perbedaan antara konveksi dan konduksi panas
Konduktivitas termal harus dipahami sebagai kemampuan benda fisik untuk mentransfer panas melalui pergerakan senyawa atom dan molekul. Logam adalah konduktor panas yang sangat baik, karena molekulnya saling bersentuhan satu sama lain. Sebaliknya, zat gas dan volatil bertindak sebagai konduktor panas yang buruk.
Bagaimana konveksi terjadi? Fisika proses didasarkan pada perpindahan panas karena pergerakan bebas massa molekul zat. Pada gilirannya, konduktivitas termal hanya terdiri dari transfer energi antara partikel penyusun tubuh fisik. Namun, kedua proses tersebut tidak mungkin tanpa kehadiran partikel materi.
Contoh fenomena
Contoh konveksi yang paling sederhana dan mudah dipahami adalah proses lemari es biasa. Sirkulasigas freon yang didinginkan melalui pipa-pipa ruang pendingin menyebabkan penurunan suhu lapisan atas udara. Oleh karena itu, digantikan oleh aliran yang lebih hangat, aliran yang dingin akan tenggelam, sehingga mendinginkan produk.
Kisi-kisi yang terletak di panel belakang lemari es berperan sebagai elemen yang memfasilitasi pembuangan udara hangat yang terbentuk di kompresor unit selama kompresi gas. Pendinginan jaringan juga didasarkan pada mekanisme konvektif. Karena alasan inilah tidak disarankan untuk mengacaukan ruang di belakang lemari es. Bagaimanapun, hanya dalam kasus ini, pendinginan dapat terjadi tanpa kesulitan.
Conveksi konveksi lainnya dapat dilihat dengan mengamati fenomena alam seperti pergerakan angin. Pemanasan di atas benua gersang dan pendinginan di medan yang lebih keras, arus udara mulai saling menggantikan, menyebabkan mereka bergerak, serta memindahkan uap air dan energi.
Kemungkinan burung terbang dan glider terkait dengan konveksi. Massa udara yang kurang padat dan lebih hangat, dengan pemanasan yang tidak merata di dekat permukaan bumi, mengarah pada pembentukan arus naik, yang berkontribusi pada proses melonjak. Untuk mengatasi jarak maksimum tanpa mengeluarkan tenaga dan energi, burung membutuhkan kemampuan untuk menemukan aliran seperti itu.
Contoh konveksi yang baik adalah pembentukan asap di cerobong asap dan kawah gunung berapi. Pergerakan asap ke atas didasarkan pada suhu yang lebih tinggi dan kepadatan yang lebih rendah dibandingkan dengan sekitarnya. Saat asap mendingin, asap secara bertahap mengendap ke lapisan atmosfer yang lebih rendah. Tepat karena alasan inipipa industri, di mana zat berbahaya dilepaskan ke atmosfer, dibuat setinggi mungkin.
Contoh konveksi yang paling umum di alam dan teknologi
Di antara contoh paling sederhana dan mudah dipahami yang dapat diamati di alam, kehidupan sehari-hari, dan teknologi, kita harus menyoroti:
- aliran udara selama pengoperasian baterai pemanas rumah tangga;
- pembentukan dan pergerakan awan;
- proses pergerakan angin, muson, dan angin sepoi-sepoi;
- pergeseran lempeng bumi tektonik;
- proses yang mengarah pada pembentukan gas bebas.
Memasak
Fenomena konveksi semakin banyak terjadi pada peralatan rumah tangga modern, khususnya oven. Kabinet gas dengan konveksi memungkinkan Anda memasak hidangan yang berbeda secara bersamaan pada tingkat yang berbeda pada suhu yang berbeda. Ini benar-benar menghilangkan pencampuran rasa dan bau.
Oven tradisional mengandalkan satu tungku untuk memanaskan udara, sehingga distribusi panas tidak merata. Karena pergerakan aliran udara panas yang disengaja dengan bantuan kipas khusus, hidangan dalam oven konveksi menjadi lebih segar dan dipanggang lebih baik. Perangkat tersebut memanas lebih cepat, yang mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk memasak.
Tentu saja, untuk ibu rumah tangga yang memasak di oven hanya beberapa kali dalam setahun, peralatan rumah tangga denganfungsi konveksi tidak dapat disebut sebagai teknik kebutuhan pertama. Namun, bagi mereka yang tidak dapat hidup tanpa eksperimen kuliner, perangkat semacam itu akan menjadi sangat diperlukan di dapur.
Kami berharap materi yang disajikan bermanfaat bagi Anda. Semoga berhasil!
