Đối lưu - Sự chuyển động trong chất lỏng và chất khí
Đối lưu, còn được gọi là Convection trong tiếng Anh, là sự chuyển động của các nhóm phần tử bên trong chất lỏng, chẳng hạn như chất lỏng, chất khí hoặc chất thay đổi. Khi được làm nóng, lớp chất bên dưới dâng lên, khiến chất lỏng mát đi xuống, tạo ra dòng tuần hoàn, trộn lẫn và cuối cùng dẫn đến nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ chất. Cơ chế đằng sau sự đối lưu là trọng lực, khối lượng riêng và lực đẩy Ác-si-mét. Do độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí thường nhỏ, đối lưu là phương pháp truyền nhiệt chính trong chất lỏng vì nhiệt được truyền chủ yếu thông qua các chuyển động nhỏ của các ion và electron.
Hình ảnh minh họa đối lưu
Các dạng đối lưu
Hiện nay, đối lưu được chia làm hai loại chính, đó là đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức.
-
Đối lưu tự nhiên: Nó được tạo ra bởi sự khác biệt về nhiệt độ hoặc nồng độ. Gradien nhiệt độ bên trong chất lỏng sẽ dẫn đến gradien tỷ trọng và nếu chất lỏng có tỷ trọng thấp ở đáy và tỷ trọng cao ở trên thì do tác dụng của trọng lực sẽ hình thành sự đối lưu tự nhiên.
-
Đối lưu cưỡng bức: Hình thành và tăng tốc độ đối lưu nhờ ngoại lực. Tốc độ chuyển động của chất lỏng và chất khí tăng lên rất nhiều do tác động của ngoại lực, do đó cho phép truyền nhiệt nhanh bằng đối lưu. Dựa trên tác dụng của ngoại lực, chất lỏng chuyển động tuần hoàn, và do đó quá trình truyền nhiệt được gọi là đối lưu cưỡng bức.
Đối lưu - Hình thức truyền nhiệt chủ yếu
Đối lưu là phương pháp chủ yếu để truyền nhiệt qua chất lỏng và chất khí. Đối lưu là chuyển động của các bộ phận bên trong chất lỏng hoặc chất khí. Đối lưu do chênh lệch mật độ hoặc chênh lệch nhiệt độ dẫn đến thay đổi mật độ và được gọi là đối lưu tự nhiên; đối lưu do ngoại lực gây ra (chẳng hạn như kích động) được gọi là đối lưu cưỡng bức. Trong trường hợp dẫn điện, các ion chuyển động cùng với chất lỏng, đây là hình thức chuyển chất trong các phản ứng hóa học.
Hình ảnh minh họa hiện tượng đối lưu
Bức xạ nhiệt
Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt qua các tia nhiệt thẳng. Truyền nhiệt bức xạ có thể xảy ra trong không khí và trong môi trường chân không nhân tạo. Cơ chế truyền nhiệt bức xạ là sự hấp thụ và tỏa năng lượng của nguyên tử khi các electron trong chất chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Sự truyền nhiệt bức xạ có bản chất giống như bức xạ thẳng, phản xạ và nhiễu xạ… từ đó giải thích được đặc điểm khả năng hấp thụ nhiệt của các chất có cấu tạo khác nhau.
Hình ảnh minh họa bức xạ nhiệt
Đối lưu khí quyển
Tầng đối lưu là tầng thấp nhất của bầu khí quyển trên một số hành tinh, bao gồm cả Trái đất. Hầu hết các hiện tượng thời tiết hàng ngày mà con người trải qua xảy ra ở tầng đối lưu. Tầng đối lưu của Trái đất có đặc điểm là sự đối lưu của không khí nóng và lạnh từ bề mặt trở lên. Thuật ngữ "tầng đối lưu" dùng để chỉ lớp đối lưu này.
Ví dụ minh hoạ đối lưu trong đời sống
6.1. Gió từ biển
Trên biển, khi đất nóng lên nhanh hơn nước, gió thổi mạnh từ biển vào đất liền trong những ngày nắng nóng. Tuy nhiên, đất cũng nguội nhanh hơn nước nên ban đêm gió thổi từ đất liền ra biển. Đây là một hiện tượng kỳ thú của khí quyển và là lý do tại sao bạn cảm thấy mát mẻ hơn khi nhìn ra biển vào buổi chiều và tối, và trong những ngày nắng nóng. Vào ban đêm, điều ngược lại xảy ra, với những cơn gió mát từ đất liền.
6.2. Đun sôi nước
Khi đổ nước vào nồi hoặc xoong và đun nóng, lớp nước dưới đáy sẽ được đun nóng trước. Sau đó, khi nước sôi và thể tích của nó giảm xuống, nước lạnh di chuyển xuống dưới và nước nóng lên trên. Trong một hệ thống vòng kín, đến một lúc nào đó nước trong chậu sẽ đạt nhiệt độ bằng nhau.
Hình ảnh minh họa ví dụ đối lưu trong đời sống
6.3. Dòng chảy đại dương
Nước ngầm dưới lòng biển hoạt động theo cách tương tự với không khí trong khí quyển. Vùng nước ấm hơn luôn ở gần bề mặt, trong khi vùng nước mát hơn ở sâu hơn.
6.4. Hiệu ứng Dynamo
Hiệu ứng Dynamo xảy ra trong lõi nóng chảy bên trong hành tinh và mặt trời, kết hợp với chuyển động quay của Trái đất, từ đó tạo ra dòng điện và tạo ra trường từ của Trái đất.
6.5. Năng lượng bên trong sao
Các ngôi sao như Mặt trời là những quả bóng khí khổng lồ với nguồn năng lượng chính là heli và hydro. Cơ chế truyển năng lượng chủ yếu thông qua sự cân bằng của lực và lực hút khi các hạt khí có đủ tự do để di chuyển giữa các vùng bên trong các ngôi sao.
Ứng dụng của đối lưu
7.1. Điều hòa
Máy điều hòa không khí được đặt gần trần của các phòng, để không khí được làm mát, dày đặc hơn, đi xuống và làm mát gần sàn nhà một cách nhanh chóng.
Hình ảnh minh họa ứng dụng của đối lưu
7.2. Bộ tản nhiệt chất lỏng
Hệ thống làm mát bằng chất lỏng là thiết bị cho phép truyền nhiệt từ chất lỏng có nhiệt độ cao sang chất lỏng khác có nhiệt độ thấp. Đó là nguyên lý hoạt động của máy điều hòa không khí và cơ cấu làm mát của máy tính cá nhân và điện thoại thông minh ngày nay.
7.3. Tháp tản nhiệt
Tháp tản nhiệt, còn được gọi là tháp làm mát, được sử dụng để tản nhiệt từ các cơ sở công nghiệp khác nhau như nhà máy điện hạt nhân, nhà máy lọc dầu và các khu công nghiệp khác. Tháp tản nhiệt vào khí quyển thay vì thải xuống đất hoặc nước.
