對流

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對流是指流體內部的分子運動,是熱傳質傳的主要模式之一。熱對流(亦稱爲對流傳熱)是三種主要熱傳方式中的其中一種(另外兩種分別是熱傳導熱輻射

一個火爐的熱對流示意圖

概念[編輯]

對流通常發生在流體內或流體和容器之間有溫度差時,因為溫度的差異會使得流體之間密度不同,當液體或氣體物質一部分受熱時,體積膨脹,密度減少,逐漸上升,其位置由周圍溫度較低、密度較大的物質補充之,此物質再受熱上升,周圍物質又來補充,如此循環不已,遂將熱量由流動之流體傳播到各處。質傳方面的例子如不同的鹽分密度或者是外的施與引起密度不均,也會引起對流。在大氣中、海洋內、以及行星地函裡,也常有對流在發生。

類型[編輯]

在熱傳學中,對流被分為自然對流與強制對流。自然對流是指在流體之間僅有溫度差存在時發生的運動,例如,熱空氣上升冷空氣下降(因為熱空氣密度較冷空氣小所以會上升,反之冷空氣密度較熱空氣大所以會下降)。

自然對流是指當流體內部因溫度差異導致流體運動的對流現象。例如:空氣從暖氣片的表面上升。

Convection cells.svg

自由對流的前提是被加熱的材料獲得更多的浮力上升,冷一些的材料下沉。自由對流在很多氣體或液體中因為溫度變化產生的膨脹和收縮並在一個加速度場如重力或者離心力的影響下就會發生。局部密度變化產生的浮力是流體運動的原因。在失重狀態下,因為浮力不再存在,所以也不會有自由對流現象。

強制對流是指當有外力推動(如通過或者風扇)流體導致流體運動的對流現象。例如:電風扇加熱器,當風吹過加熱元件時,空氣就被加熱。當一個人衝著食物吹氣以降溫時,就使用的是強制對流。

物體表面的對流[編輯]

經過流體表面的局部對流熱通量表示為

 q' = h (T_s - T_\infty)

其中:

  • q' - 局部熱通量(dq/dA
  • h - 局部對流係數
  • T_s - 表面溫度
  • T_\infty - 精製或環境溫度

通過一個表面總熱傳導通過計算q的積分得到,

 q = \int_{A_s} q'\,dA_s

其中:

  • A_s - 表面面積
  • q - 總熱導率(單位是能量/單位時間)

這就引出平均對流係數\bar{h}的定義,

 q = \bar{h} A_s (T_s - T_\infty)


參看:流體力學努塞爾特數格拉曉夫數熱傳係數

地球上的對流[編輯]

大氣對流[編輯]

地球大氣中,太陽輻射加熱地球表面,熱通過對流傳給空氣。當這一層空氣從地球表面接受到足夠的熱,就會膨脹,密度減小,這樣在浮力作用下上升。較冷的、沉的空氣下沉被加熱,膨脹上升。暖空氣隨著高度上升逐漸冷卻,到達大氣較冷的區域,密度也就增加。因為它不能從下面上升的空氣里下沉,所以只好移動到熱空氣的側面下沉。當它到達地表時又被加熱,重新回到熱空氣流中。這些對流在局部會產生微風、暖流氣旋雷暴,而大範圍影響就會產生全球大氣環流現象。

單一區域的空氣上升和下沉叫做對流單體

熱隨著氣流上升輻射到太空而散失掉。

參見:天氣

海洋對流[編輯]

太陽吸收能的海洋也可產生對流。一般來說溫度較高的水會傾向於流向極地,低溫的水則會流向赤道。海洋對流同時也會受到海洋中鹽分影響,這就是所謂熱鹽對流。在如此情況下,鹽分較高的暖水會下沉,而涼者、鹽分低的會上升。

地幔熱對流[編輯]

地幔中的對流是驅動板塊運動的動力,從而令地殼移動,產生一系列地質構造運動。地幔中作對流用的熱能,來自放射性衰變,特別40K衰變。

人類應用[編輯]

其他關於熱對流的應用,在空氣的對流方面,我們多將室內的冷氣裝置須置於上部,暖氣機須置於室內低處,主要是因為冷空氣下降,熱空氣上升的原因,所以空氣之間會產生對流;煙囪的設置,煙囪就是要幫助氣體對流,當熱空氣順著煙囪向上傳遞時,新鮮的冷空氣可以不斷補充,讓爐內的燃燒效果更好。

另外,我們常見的有關對流的實例如冬天睡覺時蓋棉被,主要是可以防止棉被內太空氣的對流而保持體溫;喝熱水時,若嫌其太熱,常用口吹氣,這是因為吹氣時,鄰近空氣發生對流作用,把熱水的熱帶走,而使熱水易冷卻;失火的地方,常有風助火勢;濱海地區,夏日白天常吹海風,晚上常吹陸風等都是熱對流的例子。

參見[編輯]