اگر دست خود را به یک لامپ برقی روشن نزدیک کنید یا کف دست خود را روی یک اجاق گاز داغ قرار دهید، می توانید حرکت جریان هوای گرم را احساس کنید. هنگامی که یک ورق کاغذ روی شعله باز نوسان می کند، همین اثر را می توان مشاهده کرد. هر دو اثر با همرفت توضیح داده می شوند.
چیست؟
پدیده همرفت بر اساس انبساط ماده سردتر در تماس با توده های گرم است. در چنین شرایطی ماده گرم شده چگالی خود را از دست می دهد و در مقایسه با فضای سرد اطراف آن سبک تر می شود. دقیق تر، این ویژگی پدیده مربوط به حرکت جریان گرما هنگام گرم شدن آب است.
حرکت مولکولها در جهت مخالف تحت تأثیر گرما دقیقاً همان چیزی است که همرفت بر اساس آن است. تابش و هدایت حرارتی فرآیندهای مشابهی هستند، اما در درجه اول به انتقال انرژی حرارتی در جامدات مربوط می شوند.
مثالهای واضح از همرفت - حرکت هوای گرم در وسط یک اتاق با گرمایشلوازم خانگی، هنگامی که جریان های گرم در زیر سقف حرکت می کنند و هوای سرد به سطح کف فرو می رود. به همین دلیل است که وقتی گرمایش روشن است، هوای بالای اتاق نسبت به پایین اتاق به طور محسوسی گرمتر می شود.
قانون ارشمیدس و انبساط حرارتی اجسام فیزیکی
برای درک اینکه همرفت طبیعی چیست، کافی است فرآیند را با استفاده از مثال قانون ارشمیدس و پدیده انبساط اجسام تحت تأثیر تابش حرارتی در نظر بگیریم. بنابراین، طبق قانون، افزایش دما لزوماً منجر به افزایش حجم مایع می شود. مایع گرم شده از زیر در ظروف بالاتر می رود و رطوبت با چگالی بالاتر به ترتیب پایین تر حرکت می کند. در صورت گرم شدن از بالا، مایعات چگالی بیشتر و کمتری در جای خود باقی می مانند که در این صورت این پدیده رخ نمی دهد.
ظهور مفهوم
اصطلاح "همرفت" اولین بار توسط دانشمند انگلیسی ویلیام پروت در سال 1834 ارائه شد. برای توصیف حرکت توده های حرارتی در مایعات گرم و متحرک استفاده شد.
اولین مطالعات نظری در مورد پدیده همرفت تنها در سال 1916 آغاز شد. در طول آزمایش‌ها، مشخص شد که انتقال از انتشار به همرفت در مایعاتی که از پایین گرم می‌شوند، زمانی اتفاق می‌افتد که مقادیر دمایی بحرانی خاصی به دست می‌آیند. بعداً این مقدار به عنوان «شماره رول» تعریف شد. این نام به نام محققی که آن را مطالعه کرده بود، گرفته شد. نتایج آزمایش‌ها توضیح حرکت جریان گرما را تحت تأثیر نیروهای ارشمیدس ممکن کرد.
انواع همرفت
انواع مختلفی از پدیده ای که ما توضیح می دهیم وجود دارد - همرفت طبیعی و اجباری. نمونه ای از حرکت جریان هوای سرد و گرم در وسط یک اتاق بهترین راه برای توصیف روند همرفت طبیعی است. در مورد اجباری، می توان آن را هنگام مخلوط کردن مایع با قاشق، پمپ یا همزن مشاهده کرد.
همرفت زمانی غیرممکن است که جامدات گرم شوند. این به دلیل جاذبه متقابل نسبتاً قوی در طول ارتعاش ذرات جامد آنها است. در نتیجه گرم شدن اجسام ساختار جامد، همرفت و تشعشع رخ نمی دهد. هدایت حرارتی جایگزین این پدیده ها در چنین اجسامی می شود و به انتقال انرژی گرمایی کمک می کند.
به اصطلاح همرفت مویرگی یک نوع جداگانه است. این فرآیند زمانی اتفاق می افتد که دما در طول حرکت سیال از طریق لوله ها تغییر می کند. در شرایط طبیعی، اهمیت چنین همرفتی در کنار همرفت طبیعی و اجباری، بسیار ناچیز است. با این حال، در فناوری فضایی، همرفت مویرگی، تابش و هدایت حرارتی مواد به عوامل بسیار مهمی تبدیل می‌شوند. حتی ضعیف ترین حرکات همرفتی در شرایط بدون وزن، اجرای برخی از وظایف فنی را دشوار می کند.
همرفت در لایه های پوسته زمین
فرایندهای همرفت به طور جدایی ناپذیری با تشکیل طبیعی مواد گازی در ضخامت پوسته زمین مرتبط هستند. کره را می توان کره ای متشکل از چندین لایه متحدالمرکز در نظر گرفت. در مرکز یک هسته داغ عظیم قرار دارد که یک توده مایع با چگالی بالا حاوی آهن است.نیکل، و همچنین فلزات دیگر.
لایه های اطراف برای هسته زمین، لیتوسفر و گوشته نیمه مایع هستند. لایه بالایی کره زمین مستقیماً پوسته زمین است. لیتوسفر از صفحات جداگانه ای تشکیل می شود که در حرکت آزاد هستند و در امتداد سطح گوشته مایع حرکت می کنند. در جریان گرمایش ناهموار قسمت‌های مختلف گوشته و سنگ‌ها که از نظر ترکیب و چگالی متفاوت هستند، جریان‌های همرفتی تشکیل می‌شوند. تحت تأثیر چنین جریان‌هایی است که دگرگونی طبیعی کف اقیانوس و حرکت قاره‌های باربر رخ می‌دهد.
تفاوت بین همرفت و رسانش گرما
هدایت حرارتی را باید به عنوان توانایی اجسام فیزیکی برای انتقال گرما از طریق حرکت ترکیبات اتمی و مولکولی درک کرد. فلزات رسانای عالی گرما هستند، زیرا مولکول های آنها در تماس نزدیک با یکدیگر هستند. برعکس، مواد گازی و فرار به عنوان رسانای ضعیف گرما عمل می کنند.
همرفت چگونه اتفاق می افتد؟ فیزیک فرآیند مبتنی بر انتقال گرما به دلیل حرکت آزاد جرم مولکول های مواد است. به نوبه خود، هدایت حرارتی تنها شامل انتقال انرژی بین ذرات تشکیل دهنده یک جسم فیزیکی است. با این حال، هر دو فرآیند بدون حضور ذرات ماده غیرممکن هستند.
نمونه هایی از پدیده
ساده ترین و قابل فهم ترین مثال همرفت، فرآیند یک یخچال معمولی است. جریانگاز فریون خنک شده از طریق لوله های اتاق تبرید منجر به کاهش دمای لایه های بالایی هوا می شود. بر این اساس، جریان‌های سرد جایگزین می‌شوند و جریان‌های سرد فرو می‌روند و در نتیجه محصولات را خنک می‌کنند.
رنده واقع در پنل پشتی یخچال نقش عنصری را ایفا می کند که خروج هوای گرم تشکیل شده در کمپرسور دستگاه در هنگام فشرده سازی گاز را تسهیل می کند. خنک کننده شبکه نیز بر اساس مکانیسم های همرفتی است. به همین دلیل است که بهم ریختن فضای پشت یخچال توصیه نمی شود. از این گذشته، فقط در این مورد، خنک‌سازی می‌تواند بدون مشکل اتفاق بیفتد.
نمونه های دیگر همرفت را می توان با مشاهده پدیده طبیعی مانند حرکت باد مشاهده کرد. گرم شدن در قاره‌های خشک و سرد شدن در زمین‌های خشن‌تر، جریان‌های هوا شروع به جابجایی یکدیگر می‌کنند و باعث حرکت آنها و همچنین انتقال رطوبت و انرژی می‌شوند.
امکان اوج گیری پرندگان و گلایدرها به همرفت گره خورده است. توده‌های هوای کمتر متراکم و گرمتر، با گرمایش ناهموار در نزدیکی سطح زمین، منجر به تشکیل جریان‌های صعودی می‌شوند که به روند اوج گرفتن کمک می‌کند. برای غلبه بر حداکثر فواصل بدون صرف نیرو و انرژی، پرندگان به توانایی یافتن چنین جریان‌هایی نیاز دارند.
نمونه های خوب همرفت، تشکیل دود در دودکش ها و دهانه های آتشفشانی است. حرکت دود به سمت بالا بر اساس دمای بالاتر و چگالی کمتر آن نسبت به محیط اطراف است. با سرد شدن دود، به تدریج در لایه های پایینی جو می نشیند. دقیقا به همین دلیللوله های صنعتی که از طریق آنها مواد مضر در جو منتشر می شود، تا حد امکان ساخته می شوند.
متداول ترین نمونه های همرفت در طبیعت و فناوری
در میان ساده‌ترین و قابل فهم‌ترین مثال‌هایی که می‌توان در طبیعت، زندگی روزمره و فناوری مشاهده کرد، باید این موارد را برجسته کنیم:
- جریان هوا در حین کارکرد باتری های گرمایش خانگی؛
- تشکیل و حرکت ابرها؛
- فرآیند حرکت باد، موسمی و نسیم؛
- تغییر صفحات زمین ساختی؛
- فرایندهایی که منجر به تشکیل گاز آزاد می شود.
آشپزی
به طور فزاینده ای، پدیده همرفت در لوازم خانگی مدرن، به ویژه در اجاق ها مشاهده می شود. کابینت گاز با کانوکشن به شما این امکان را می دهد که همزمان غذاهای مختلف را در سطوح جداگانه در دماهای مختلف بپزید. این کار مخلوط شدن مزه ها و بوها را کاملا از بین می برد.
اجاق سنتی برای گرم کردن هوا به یک مشعل تکیه می کند و در نتیجه توزیع گرما نابرابر می شود. به دلیل حرکت هدفمند جریان هوای گرم با کمک یک فن تخصصی، ظروف در اجاق همرفت آبدارتر و بهتر پخته می شوند. چنین دستگاه‌هایی سریع‌تر گرم می‌شوند که زمان لازم برای پخت و پز را کاهش می‌دهد.
البته برای خانم‌های خانه‌داری که فقط چند بار در سال در فر آشپزی می‌کنند، یک وسیله خانگی باتابع همرفت را نمی توان یک تکنیک ضروری اول نامید. با این حال، برای کسانی که نمی توانند بدون آزمایش های آشپزی زندگی کنند، چنین وسیله ای به سادگی در آشپزخانه ضروری می شود.
امیدواریم مطالب ارائه شده برای شما مفید بوده باشد. موفق باشید!
