गर्मी लंपटता। विकिरण. गर्मी चालन। संवहन. वाष्पीकरण। संवहन - प्राकृतिक संवहन घटना की परिभाषा और उदाहरण

कमरे के तापमान पर तापीय चालकता गुणांक।

विभिन्न पदार्थों के लिए तापीय चालकता गुणांक के परिमाण का क्रम।

कंवेक्शन- यह अंतरिक्ष में ऊष्मा स्थानांतरण की दूसरी विधि है।

कंवेक्शनमैक्रोपार्टिकल्स की गति के कारण असमान तापमान वितरण के साथ तरल पदार्थ और गैसों में गर्मी का स्थानांतरण होता है।

पदार्थ के स्थूल आयतन के साथ ऊष्मा का स्थानांतरण कहलाता है संवहन ताप स्थानांतरण, या केवल कंवेक्शन.

तरल और ठोस सतह के बीच ऊष्मा का आदान-प्रदान। इस प्रक्रिया का एक विशेष नाम है संवहन ताप स्थानांतरण(ऊष्मा को तरल से सतह पर स्थानांतरित किया जाता है या इसके विपरीत)

लेकिन संवहन अपने शुद्ध रूप में मौजूद नहीं है; यह हमेशा तापीय चालकता के साथ होता है, ऐसे संयुक्त ताप स्थानांतरण को कहा जाता है संवहन ताप स्थानांतरण.

ठोस और द्रव की सतह के बीच ऊष्मा विनिमय की प्रक्रिया कहलाती है गर्मी का हस्तांतरण, और शरीर की सतह जिसके माध्यम से गर्मी स्थानांतरित होती है ऊष्मा स्थानांतरण सतह या ऊष्मा स्थानांतरण सतह.

गर्मी का हस्तांतरणउन्हें अलग करने वाली एक ठोस दीवार के माध्यम से एक तरल से दूसरे तरल में गर्मी का स्थानांतरण होता है।

द्रव संचलन के प्रकार.मजबूरन और प्राकृतिक संवहन के बीच अंतर किया जाता है। आंदोलन कहा जाता है मजबूर,यदि यह बाहरी ताकतों के कारण होता है जो ताप विनिमय प्रक्रिया से संबंधित नहीं हैं। उदाहरण के लिए, इसे किसी पंप या पंखे से ऊर्जा प्रदान करके। आंदोलन कहा जाता है मुक्त, यदि यह ऊष्मा विनिमय प्रक्रिया द्वारा निर्धारित होता है और गर्म और ठंडे तरल मैक्रोपार्टिकल्स के घनत्व में अंतर के कारण होता है।

गति के तरीके, तरल पदार्थ.द्रव की गति स्थिर या अस्थिर हो सकती है। नियमितयह एक ऐसी गति है जिसमें द्रव द्वारा घेरे गए स्थान के सभी बिंदुओं पर गति समय के साथ नहीं बदलती है। यदि प्रवाह वेग समय के साथ (परिमाण या दिशा में) बदलता है, तो गति होगी अस्थिर.

प्रयोगात्मक रूप से द्रव संचलन के दो तरीके स्थापित किए गए हैं: लामिनायर और अशांत। पर लामिनायर मोडसभी द्रव कण एक दूसरे और घेरने वाली सतहों के समानांतर चलते हैं। पर अशांत शासनद्रव कण अव्यवस्थित रूप से, अव्यवस्थित रूप से चलते हैं। प्रवाह के साथ निर्देशित गति के साथ, कण प्रवाह के पार और उसकी ओर बढ़ सकते हैं। इस मामले में, द्रव की गति परिमाण और दिशा दोनों में लगातार बदलती रहती है।

लामिनायर और अशांत शासनों के बीच अंतर बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि शासन के आधार पर, तरल पदार्थों में गर्मी हस्तांतरण का तंत्र अलग होगा। लामिना मोड में, प्रवाह की अनुप्रस्थ दिशा में गर्मी केवल थर्मल चालकता द्वारा स्थानांतरित की जाती है, और प्रवाह की दिशा में इसे केवल थर्मल चालकता द्वारा स्थानांतरित किया जाता है, और अशांत मोड में, अशांत भंवर या संवहन के कारण भी स्थानांतरित किया जाता है।

सीमा परत की अवधारणा.अनुसंधान से पता चला है कि किसी पिंड को धोने वाले चिपचिपे तरल पदार्थ के प्रवाह में, जैसे-जैसे यह इसकी सतह के करीब आता है, गति कम हो जाती है और सतह पर ही शून्य हो जाता है। यह निष्कर्ष कि किसी पिंड की सतह पर पड़े तरल पदार्थ की गति शून्य है, चिपकी हुई परिकल्पना कहलाती है। यह तब तक वैध है जब तक तरल को एक सतत माध्यम माना जा सकता है।

तरल के असीमित प्रवाह को एक सपाट सतह पर चलने दें (चित्र)। इससे दूर द्रव का वेग w0 है, और सतह पर, नो-स्लिप परिकल्पना के अनुसार, यह शून्य है। नतीजतन, सतह के पास जमे हुए तरल पदार्थ की एक परत होती है जिसे कहा जाता है गतिशील सीमा परत, जिसमें गति 0 से भिन्न होती है ...... चूंकि सीमा परत में गति स्पर्शोन्मुख रूप से w 0 तक पहुंचती है, इसकी मोटाई की निम्नलिखित परिभाषा पेश की जाती है: मोटाई गतिशील सीमा परतसतह से वह दूरी है जिस पर गति w0 से एक निश्चित मात्रा में भिन्न होती है, आमतौर पर 1%।

जैसे-जैसे आप सतह पर आगे बढ़ते हैं, सीमा परत की मोटाई बढ़ती जाती है। प्रारंभ में, एक लामिना सीमा परत बनती है, जो बढ़ती मोटाई के साथ अस्थिर हो जाती है और ढह जाती है, एक अशांत सीमा परत में बदल जाती है। हालाँकि, यहाँ भी, सतह के पास, एक पतली लेमिनायर उपपरत बनी हुई है......., जिसमें तरल लेमिनायर रूप से चलता है। चित्र में. लैमिनर (सेक्शन I) और अशांत (सेक्शन II) के अनुसार गति में परिवर्तन को दर्शाता है

संवहन एक माध्यम (गैस, तरल) के स्थूल भागों की गति है, जिससे द्रव्यमान और गर्मी का स्थानांतरण होता है। वास्तविक परिस्थितियों में, संवहन हमेशा तापीय चालकता या आणविक ताप हस्तांतरण के साथ होता है। संवहन और तापीय चालकता द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण की संयुक्त प्रक्रिया कहलाती है संवहन ताप विनिमय. तरल और ठोस के बीच संवहन ताप विनिमय को अक्सर कहा जाता है गर्मी का हस्तांतरण. संवहन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण की प्रक्रिया कई कारकों से प्रभावित होती है। 1. किसी ठोस दीवार के निकट द्रव की गति की प्रकृति। घटना की प्रकृति के अनुसार, दो प्रकार के आंदोलन को प्रतिष्ठित किया जाता है - स्वतंत्र और मजबूर। मुक्त गति वह गति है जो गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में किसी तरल पदार्थ के गर्म और ठंडे कणों के घनत्व में अंतर के कारण होती है।

जब यह किसी गर्म पिंड के संपर्क में आता है, तो तरल (वायु) गर्म हो जाता है, हल्का हो जाता है और ऊपर उठ जाता है। जब यह ठंडे पिंड के संपर्क में आता है, तो तरल ठंडा हो जाता है, भारी हो जाता है और नीचे डूब जाता है। मुक्त संचलन को प्राकृतिक संवहन भी कहा जाता है और यह सीमित (चैनल, दरारें) या असीमित स्थान में हो सकता है। मुक्त संचलन की घटना और तीव्रता प्रक्रिया की थर्मल स्थितियों से निर्धारित होती है और सतह के स्थान (ऊर्ध्वाधर या क्षैतिज), गर्मी छोड़ने वाली सतह की दिशा (ऊपर या नीचे), तरल के प्रकार, पर निर्भर करती है। तापमान अंतर, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र की ताकत और अंतरिक्ष की मात्रा जिसमें प्रक्रिया होती है। जबरन गति वह गति है जो पंप, पंखे आदि जैसे बाहरी उत्तेजनाओं के प्रभाव में होती है। सामान्य स्थिति में, मजबूर गति के साथ-साथ तरल की मुक्त गति भी एक साथ विकसित हो सकती है।

उत्तरार्द्ध का सापेक्ष प्रभाव अधिक होता है, तरल के अलग-अलग बिंदुओं पर तापमान का अंतर जितना अधिक होता है और मजबूर आंदोलन की गति कम होती है। किसी तरल पदार्थ की मजबूर गति लामिनायर या अशांत हो सकती है। लामिना मोड में, प्रवाह में एक शांत, धारा जैसा चरित्र होता है, और एक अशांत मोड में, आंदोलन अव्यवस्थित, भंवर होता है। गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं के लिए, द्रव आंदोलन का तरीका बहुत महत्वपूर्ण है। द्रव संचलन के तरीके में परिवर्तन एक निश्चित "महत्वपूर्ण" गति से होता है, जो प्रत्येक विशिष्ट मामले में भिन्न होता है। हालाँकि, सतह के पास एक पतली परत में किसी भी प्रकार की हलचल के साथ, चिपचिपे घर्षण की उपस्थिति के कारण, द्रव का प्रवाह बाधित हो जाता है और गति शून्य हो जाती है। इस परत को आमतौर पर श्यान उपपरत कहा जाता है।

गैसों और तरल पदार्थों के लिए गर्मी हस्तांतरण की तीव्रता मुख्य रूप से इस उपपरत के थर्मल प्रतिरोध से निर्धारित होती है। लैमिनर मोड में, दीवार की सामान्य दिशा में गर्मी का स्थानांतरण मुख्य रूप से सीमा परत की तापीय चालकता द्वारा किया जाता है। एक अशांत शासन में, गर्मी हस्तांतरण केवल एक चिपचिपी छोटी उपपरत में बरकरार रहता है, और एक अशांत प्रवाह के अंदर, स्थानांतरण तरल कणों के गहन मिश्रण द्वारा किया जाता है। लामिना प्रवाह स्थिरता का नुकसान भंवरों के गठन के साथ होता है, जो प्रसार के कारण, पूरे प्रवाह को भर देता है, जिससे तरल का मजबूत मिश्रण होता है, जिसे अशांत मिश्रण कहा जाता है। अशांत गति के साथ, संपूर्ण प्रवाह बेतरतीब ढंग से घूमने वाले भंवरों से संतृप्त होता है जो लगातार प्रकट होते हैं और गायब हो जाते हैं।

इसके बाद, तरल की चिपचिपाहट के कारण, भंवर धीरे-धीरे फीके पड़ जाते हैं और गायब हो जाते हैं। जितने अधिक भंवर, तरल का मिश्रण उतना ही अधिक तीव्र, प्रवाह की अशांति उतनी ही अधिक और ऊष्मा स्थानांतरण उतना ही अधिक। प्राकृतिक और कृत्रिम अशांति के बीच अंतर किया जाता है। पहला तरल पदार्थ को गर्म करने और दीवार के साथ उसकी गति की प्रक्रिया में स्वाभाविक रूप से बनता है, जब पहले दीवार से भंवरों के अलग होने के साथ लामिना, शांत गति, फिर अस्थिर, अव्यवस्थित और फिर भंवर और अशांत होता है। दूसरा कृत्रिम रूप से किसी घूमने वाले ब्लेड, गाइड वेन, झंझरी और अन्य उपकरणों को स्थापित करने या प्रवाह में रखने के कारण होता है।

25. शीतलक की गति के तरीके, उनका विवरण, विशेषताएं, गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया पर उनका प्रभाव।

हीट एक्सचेंजर (हीट एक्सचेंजर) एक उपकरण है जिसमें ऊष्मा को एक माध्यम से दूसरे माध्यम में स्थानांतरित किया जाता है। ऊष्मा विनिमय में शामिल मीडिया को शीतलक कहा जाता है। विभिन्न पदार्थों, गैसों, तरल पदार्थों और तरल धातुओं के वाष्प का उपयोग शीतलक के रूप में किया जा सकता है। वह शीतलक जो गर्मी देता है और जिसका तापमान अधिक होता है उसे प्राथमिक कहा जाता है, और वह शीतलक जो कम तापमान के साथ गर्मी प्राप्त करता है उसे द्वितीयक कहा जाता है। हीट एक्सचेंजर्स का मुख्य कार्य इस उपकरण से गुजरने वाले कई शीतलकों के बीच तापीय ऊर्जा को स्थानांतरित करना है। उपकरण का डिज़ाइन शीतलक के प्रवाह और उनकी पारस्परिक ज्यामिति पर निर्भर करता है। कई दिशा विन्यास हैं .

उलटी धाराकाउंटरफ्लो हीट एक्सचेंजर एक उपकरण है जिसमें एक दूसरे के सापेक्ष शीतलक की समानांतर गति होती है। तापमान अंतर के सबसे कुशल उपयोग के कारण ऐसा उपकरण प्रभावी माना जाता है।

समानांतर यूनिडायरेक्शनल प्रवाह.हीट एक्सचेंजर के प्रकार का नाम स्वयं ही बोलता है: शीतलक एक दिशा में, एक दूसरे के समानांतर चलते हैं। यदि किसी सुविधा को डिजाइन करते समय तापमान अंतर का कुशल उपयोग महत्वपूर्ण है, तो इस प्रकार के उपकरण उपयुक्त नहीं हैं। इसका उपयोग तब किया जाता है जब गर्मी स्थानांतरित करने वाली दीवार का तापमान लगभग समान होना आवश्यक होता है।

क्रॉस करंट.यह उपकरण मानता है कि शीतलक एक दूसरे के सापेक्ष समकोण पर चलते हैं। तो, पहला प्रवाह उन पाइपों में होता है जो एक बंडल में एकत्रित होते हैं। दूसरा शीतलक इन पाइपों के बीच आम तौर पर उनकी धुरी के लंबवत चलता है। ऐसा हीट एक्सचेंजर दक्षता की दृष्टि से पहले और दूसरे उपर्युक्त उपकरणों के बीच है। डिवाइस का लाभ इसका सरल डिज़ाइन है।

पाइपों और उनके बीच की जगह में मल्टी-पास करंट।एक ही हीट एक्सचेंजर को काउंटरफ्लो और समानांतर उपकरण की विशेषताओं को संयोजित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। ऐसा करने के लिए, एक ही आवास में स्थित पाइपों के रोटेशन के लिए प्रदान करना आवश्यक है। घुमावों की संख्या सीमित नहीं है. सीधे पाइपों का उपयोग करते समय समान प्रभाव प्राप्त किया जा सकता है, यदि आप यू-आकार के पाइप या सर्पेन्टाइन कलेक्टरों को सही ढंग से लागू करते हैं। तो, डिवाइस का डिज़ाइन सरल होगा, और पाइप के लिए छेद आवरण के एक तरफ स्थित होंगे।

सामान्य मामला.शीतलक की गति के लिए अलग-अलग विकल्प ऊपर वर्णित हैं। व्यवहार में, हीट एक्सचेंजर में मीडिया के मल्टी-पास प्रवाह होते हैं जो परस्पर एक-दूसरे में प्रवेश करते हैं। सामान्य टैंक में शीतलक के प्रवेश के लिए कई प्रवेश बिंदु और समान संख्या में निकास बिंदु होते हैं। उपकरण में तरल त्रि-आयामी रूप से प्रवाहित हो सकता है, लेकिन एक बंद प्रवाह रेखा के साथ एक पुनरावर्तन क्षेत्र होता है।

>संवहन

परिभाषा पढ़ें कंवेक्शनऔर ऊष्मा स्थानांतरण प्रक्रिया: संवहन समस्या का समाधान, सूत्र और समीकरण, प्राकृतिक संवहन, इन्सुलेशन, अवस्थाओं का परिवर्तन।

कंवेक्शन- सूक्ष्म द्रव संचलन के माध्यम से ऊष्मा का परिवहन (कार के इंजन को शीतलन प्रणाली के पानी से ठंडा किया जाता है)।

सीखने का उद्देश्य

• अवस्था परिवर्तन के दौरान संवहन के तंत्र की पहचान करें।

मुख्य केन्द्र

• संवहन तरल पदार्थों में पदार्थ के बड़े पैमाने पर प्रवाह के कारण होता है। ठोस पदार्थ परिवहन के लिए संवहन का उपयोग करने में असमर्थ हैं।
• उछाल को प्राकृतिक संवहन द्वारा नियंत्रित किया जाता है: गर्म हवा ऊपर उठती है क्योंकि तापमान बढ़ने पर घनत्व कम हो जाता है।
• संवहन चालन से अधिक कुशल हो सकता है। वायु एक ख़राब चालक की भूमिका निभाती है, लेकिन यह एक उत्कृष्ट इन्सुलेटर है।
• संवहन अक्सर तब होता है जब अवस्था बदलती है (पसीने का वाष्पीकरण, बर्फ का पिघलना)।

शर्तें

• प्राकृतिक संवहन ऊष्मा परिवहन की एक विधि है। स्रोत के चारों ओर संकेंद्रित तरल पदार्थ गर्मी प्राप्त करता है और घनत्व खो देता है, जिससे वह ऊपर उठता है।
• सकारात्मक फीडबैक वह फीडबैक है जहां आउटपुट सिग्नल प्रत्येक चक्र में एक सकारात्मक कारक द्वारा बढ़ाया जाता है।

उदाहरण

आइए घर की दीवारों के माध्यम से हवा लाने के लिए संवहन का उपयोग करें। अधिकांश संरचनाएं वायुरोधी नहीं होती हैं, इसलिए हवा दरवाजे, खिड़कियों, दरारों आदि से अंदर आती है। हवा को पूरी तरह से नवीनीकृत करने में लगभग एक घंटा लगता है। आइए 12 मीटर x 18 मीटर x 3 मीटर का एक घर लें, और हवा बदलने में आधा घंटा लगता है। हमें ठंडी हवा को 10 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करने के लिए आवश्यक वाट में प्रति यूनिट समय में गर्मी हस्तांतरण की गणना करने की आवश्यकता है।

आरंभ करने के लिए, हम सूत्र का उपयोग करते हैं: Q = mcΔT। ऊष्मा अंतरण दर - क्यू/टी, जहां टी वायु नवीनीकरण का समय है। ΔT 10°C है, लेकिन Q की गणना करने से पहले हमें वायु के द्रव्यमान और उसकी विशिष्ट ऊष्मा का मान ज्ञात करना होगा। वायु की विशिष्ट ऊष्मा नाइट्रोजन और ऑक्सीजन की विशिष्ट ऊष्मा का भारित औसत है, जहाँ C = सीपी ≅ 1000 जे/किग्रा°सेल्सियस।

वायु का द्रव्यमान उसके घनत्व और घर के दिए गए आयतन से निर्धारित करें:

मी = ρV = (1.29 किग्रा/मीटर 3)(12 मी × 18 मी × 3 मी) = 836 किग्रा

वायु तापमान में परिवर्तन से स्थानांतरित ऊष्मा की गणना करें:

Q = McΔT = (836 किग्रा) (1000 J/किग्रा°C) (10°C) = 8.36 × 106 J

ऊष्मा Q से ऊष्मा स्थानांतरण और टर्नओवर समय t की गणना करें। हवा t = 0.500h = 1800 s पर उलटी होती है, इसलिए ऊष्मा fracQt = (8.36 × 10 6 J)/1800 s = 4.64 kW होती है।

कंवेक्शन

संवहन तरल पदार्थों के भीतर अणुओं की समन्वित गति है। ठोस वस्तुओं में द्रव्यमान संवहन संभव नहीं है क्योंकि उनमें वॉल्यूमेट्रिक धाराएं और पर्याप्त प्रसार प्रवाहित नहीं हो सकते हैं। यहाँ ऊष्मा प्रसार को तापीय चालकता कहा जाता है।

संवहन पदार्थ के बड़े पैमाने पर प्रवाह द्वारा निर्मित होता है। यदि हम अपने ग्रह की बात करें तो वायुमंडल गर्म हवा के प्रवाह के साथ उष्ण कटिबंध से ध्रुवों की ओर और ठंडी हवा के प्रवाह से विपरीत दिशा में प्रसारित होता है।

संवहन आमतौर पर चालन से अधिक जटिल होता है, लेकिन हम इसे चिह्नित कर सकते हैं और गणना कर सकते हैं। प्राकृतिक संवहन उत्प्लावन बलों द्वारा संचालित होता है: जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, घनत्व कम होता जाता है और गर्म हवा बढ़ती है। यह सिद्धांत किसी भी तरल पदार्थ पर लागू किया जा सकता है।

संवहन पानी के एक पैन के अंदर गर्मी हस्तांतरण में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। गर्म पानी फैलने लगता है, घनत्व खो देता है और पानी के अन्य क्षेत्रों में गर्मी वितरित करने के लिए ऊपर उठता है, जबकि ठंडा पानी नीचे की ओर डूब जाता है। फिर प्रक्रिया दोहराई जाती है

संवहन और इन्सुलेशन

ऊष्मा को स्थानांतरित करने के लिए वायु संवहन का उपयोग कर सकती है। यह एक ख़राब चालक है लेकिन एक उत्कृष्ट इन्सुलेटर है। इसका प्रदर्शन उपलब्ध स्थान की मात्रा से प्रभावित होगा। उदाहरण के लिए, एक घर की भीतरी और बाहरी दीवारों के बीच का खाली स्थान 9 सेमी है। यह संवहन से उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए पर्याप्त है। इन्सुलेशन वायु प्रवाह को समाप्त कर देगा, जिससे गर्मी का नुकसान कम हो जाएगा। यदि रिक्त स्थान 1 सेमी व्याप्त है, तो संवहन को रोका जाता है और कम वायु चालकता का उपयोग किया जाता है। जानवर फर का उपयोग करते हैं।

संवहन एवं अवस्था परिवर्तन

संवहन अक्सर परिवर्तन के साथ होता है। इस तरह हमें पसीने के माध्यम से खुद को ठंडा करने का अवसर मिलता है, भले ही आसपास का तापमान शरीर के तापमान से अधिक हो। पसीने को वाष्पित करने के लिए त्वचा की गर्मी की आवश्यकता होती है, लेकिन यदि हवा का प्रवाह नहीं होता है, तो हवा संतृप्त हो जाती है और वाष्पीकरण रुक जाता है।

आइए समुद्र में पानी के वाष्पीकरण का उदाहरण लें। पानी के साथ-साथ गर्मी भी दूर हो जाती है। फिर बूंदें संघनित होकर बादल बनाती हैं और वातावरण से गर्मी निकलती है। इस प्रकार, समुद्र से गर्मी वायुमंडल में समाप्त हो जाती है। इस तरह के पैटर्न से तूफान, बिजली तूफान और यहां तक ​​कि ओलावृष्टि भी होती है।

क्यूम्यलस बादल संवहन के कारण उठने वाले जलवाष्प से बनते हैं। क्लाउड विकास एक सकारात्मक प्रतिक्रिया तंत्र द्वारा संचालित होता है

यदि आप अपना हाथ चालू बिजली के लैंप के करीब लाते हैं या अपनी हथेली को गर्म स्टोव पर रखते हैं, तो आप गर्म हवा की धाराओं की गति को महसूस कर सकते हैं। खुली लौ के ऊपर रखी कागज की शीट को हिलाने से भी यही प्रभाव देखा जा सकता है। दोनों प्रभावों को संवहन द्वारा समझाया गया है।

यह क्या दिखाता है?

संवहन की घटना गर्म द्रव्यमान के संपर्क में आने पर ठंडे पदार्थों के विस्तार पर आधारित है। ऐसी परिस्थितियों में, गर्म पदार्थ अपना घनत्व खो देता है और अपने आस-पास के ठंडे स्थान की तुलना में हल्का हो जाता है। सबसे सटीक रूप से, घटना की यह विशेषता पानी गर्म करते समय गर्मी प्रवाह की गति से मेल खाती है।

ऊष्मा के प्रभाव में विपरीत दिशाओं में अणुओं की गति ठीक उसी पर आधारित है जिस पर संवहन आधारित है। विकिरण और तापीय चालकता समान प्रक्रियाएं हैं, लेकिन मुख्य रूप से ठोस पदार्थों में संचरण से संबंधित हैं।

संवहन के ज्वलंत उदाहरण हीटिंग उपकरणों वाले कमरे के बीच में गर्म हवा की गति हैं, जब गर्म प्रवाह छत की ओर बढ़ता है, और ठंडी हवा फर्श की सतह तक उतरती है। इसीलिए, जब हीटिंग चालू होती है, तो कमरे के ऊपरी हिस्से की हवा कमरे के निचले हिस्से की तुलना में काफ़ी गर्म होती है।

आर्किमिडीज़ का नियम और भौतिक निकायों का थर्मल विस्तार

यह समझने के लिए कि प्राकृतिक संवहन क्या है, आर्किमिडीज़ के नियम के उदाहरण और थर्मल विकिरण के प्रभाव में पिंडों के विस्तार की घटना का उपयोग करके प्रक्रिया पर विचार करना पर्याप्त है। तो, कानून के अनुसार, तापमान में वृद्धि से तरल की मात्रा में वृद्धि होती है। कंटेनरों में नीचे से गरम किया गया तरल ऊपर उठता है, और उच्च घनत्व की नमी, तदनुसार, नीचे की ओर बढ़ती है। ऊपर से गर्म करने पर अधिक और कम सघन तरल पदार्थ अपने स्थान पर बने रहेंगे, ऐसी स्थिति में घटना घटित नहीं होगी।

अवधारणा का उद्भव

"संवहन" शब्द पहली बार 1834 में अंग्रेजी वैज्ञानिक विलियम प्रुइट द्वारा प्रस्तावित किया गया था। इसका उपयोग गर्म, गतिमान तरल पदार्थों में थर्मल द्रव्यमान की गति का वर्णन करने के लिए किया गया था।

संवहन की घटना का पहला सैद्धांतिक अध्ययन 1916 में ही शुरू हुआ। प्रयोगों के दौरान, यह पाया गया कि नीचे से गर्म किए गए तरल पदार्थों में प्रसार से संवहन तक संक्रमण तब होता है जब कुछ महत्वपूर्ण तापमान मान पहुँच जाते हैं। बाद में इस मान को "रोएल नंबर" के रूप में परिभाषित किया गया। इसका नाम उस शोधकर्ता के नाम पर रखा गया जिसने इसका अध्ययन किया था। प्रायोगिक परिणामों ने आर्किमिडीज़ बलों के प्रभाव में ताप प्रवाह की गति को समझाना संभव बना दिया।

संवहन के प्रकार

हम जिस घटना का वर्णन करते हैं उसके कई प्रकार हैं - प्राकृतिक और मजबूर संवहन। एक कमरे के बीच में गर्म और ठंडी हवा के प्रवाह की गति का एक उदाहरण प्राकृतिक संवहन की प्रक्रिया को सबसे अच्छी तरह चित्रित करता है। जहाँ तक जबरदस्ती की बात है, किसी तरल को चम्मच, पंप या स्टिरर से हिलाते समय इसे देखा जा सकता है।

ठोस पदार्थों को गर्म करने पर संवहन संभव नहीं होता है। यह उनके ठोस कणों के कंपन के दौरान काफी मजबूत पारस्परिक आकर्षण के कारण होता है। ठोस संरचना के पिंडों को गर्म करने के परिणामस्वरूप संवहन और विकिरण नहीं होता है। तापीय चालकता ऐसे पिंडों में इन घटनाओं को प्रतिस्थापित करती है और तापीय ऊर्जा के हस्तांतरण को बढ़ावा देती है।

एक अलग प्रकार तथाकथित केशिका संवहन है। यह प्रक्रिया तब होती है जब पाइपों के माध्यम से तरल पदार्थ के प्रवाहित होने पर तापमान में परिवर्तन होता है। प्राकृतिक परिस्थितियों में, प्राकृतिक और मजबूर संवहन के साथ-साथ ऐसे संवहन का महत्व अत्यंत महत्वहीन है। हालाँकि, अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी में, केशिका संवहन, विकिरण और सामग्रियों की तापीय चालकता बहुत महत्वपूर्ण कारक बन जाते हैं। यहां तक ​​कि भारहीनता की स्थिति में सबसे कमजोर संवहन गति भी कुछ तकनीकी समस्याओं के कार्यान्वयन में कठिनाइयों का कारण बनती है।

पृथ्वी की पपड़ी की परतों में संवहन

संवहन प्रक्रियाएँ मोटाई में गैसीय पदार्थों के प्राकृतिक गठन के साथ अटूट रूप से जुड़ी हुई हैं। इसे कई संकेंद्रित परतों से युक्त एक गोले के रूप में माना जा सकता है। बिल्कुल केंद्र में एक विशाल गर्म कोर है, जो एक उच्च घनत्व वाला तरल द्रव्यमान है जिसमें लोहा, निकल और अन्य धातुएं शामिल हैं।

आसपास की परतें लिथोस्फीयर और अर्ध-द्रव मेंटल हैं। ग्लोब की सबसे ऊपरी परत पृथ्वी की पपड़ी ही है। स्थलमंडल का निर्माण अलग-अलग प्लेटों से होता है जो तरल मेंटल की सतह के साथ-साथ मुक्त गति में चलती हैं। मेंटल और चट्टानों के विभिन्न वर्गों के असमान हीटिंग के दौरान, जो अलग-अलग संरचना और घनत्व में भिन्न होते हैं, संवहन प्रवाह बनते हैं। ऐसे प्रवाहों के प्रभाव में ही समुद्र तल का प्राकृतिक परिवर्तन और असर करने वाले महाद्वीपों की गति होती है।

संवहन और चालन के बीच अंतर

थर्मल चालकता को परमाणु और आणविक यौगिकों के आंदोलन के माध्यम से गर्मी स्थानांतरित करने के लिए भौतिक निकायों की क्षमता के रूप में समझा जाना चाहिए। धातुएँ ऊष्मा की उत्कृष्ट संवाहक होती हैं, क्योंकि उनके अणु एक दूसरे के साथ अटूट संपर्क में होते हैं। इसके विपरीत, गैसीय और वाष्पशील पदार्थ ऊष्मा के कुचालक होते हैं।

संवहन कैसे होता है? प्रक्रिया की भौतिकी पदार्थ के अणुओं के द्रव्यमान की मुक्त गति के कारण होने वाले ताप हस्तांतरण पर आधारित है। बदले में, तापीय चालकता केवल भौतिक शरीर के घटक कणों के बीच ऊर्जा के हस्तांतरण में निहित होती है। हालाँकि, दोनों प्रक्रियाएँ पदार्थ के कणों की उपस्थिति के बिना असंभव हैं।

घटना के उदाहरण

संवहन का सबसे सरल और सबसे समझने योग्य उदाहरण एक साधारण रेफ्रिजरेटर के संचालन की प्रक्रिया है। प्रशीतन कक्ष के पाइपों के माध्यम से ठंडी फ़्रीऑन गैस के संचलन से हवा की ऊपरी परतों के तापमान में कमी आती है। तदनुसार, गर्म धाराओं द्वारा प्रतिस्थापित किए जाने पर, ठंडी धाराएं नीचे गिरती हैं, जिससे उत्पाद ठंडे हो जाते हैं।

रेफ्रिजरेटर के पिछले पैनल पर स्थित ग्रिल एक ऐसे तत्व की भूमिका निभाता है जो गैस संपीड़न के दौरान इकाई के कंप्रेसर में बनने वाली गर्म हवा को हटाने की सुविधा प्रदान करता है। जाली शीतलन भी संवहन तंत्र पर आधारित है। यही कारण है कि रेफ्रिजरेटर के पीछे की जगह को अव्यवस्थित करने की अनुशंसा नहीं की जाती है। आख़िरकार, केवल इस मामले में ही बिना किसी कठिनाई के शीतलन हो सकता है।

संवहन के अन्य उदाहरण हवा की गति जैसी प्राकृतिक घटनाओं को देखकर देखे जा सकते हैं। जैसे-जैसे वायु धाराएँ शुष्क महाद्वीपों पर गर्म होती हैं और कठोर परिस्थितियों वाले क्षेत्रों में ठंडी होती हैं, वे एक-दूसरे को विस्थापित करना शुरू कर देती हैं, जिससे वे स्थानांतरित हो जाती हैं और नमी और ऊर्जा स्थानांतरित होती हैं।

संवहन पक्षियों और ग्लाइडर के उड़ने का आधार है। कम सघन और गर्म, पृथ्वी की सतह पर असमान ताप के साथ, ऊपर की ओर धाराओं का निर्माण होता है, जो उड़ने की प्रक्रिया में योगदान देता है। प्रयास और ऊर्जा खर्च किए बिना अधिकतम दूरी तय करने के लिए, पक्षियों को ऐसे प्रवाह खोजने की क्षमता की आवश्यकता होती है।

संवहन के अच्छे उदाहरण चिमनियों और ज्वालामुखीय क्रेटर में धुएं का बनना है। धुएं का ऊपर की ओर बढ़ना आसपास के वातावरण की तुलना में इसके उच्च तापमान और कम घनत्व पर आधारित है। जैसे ही धुआं ठंडा होता है, यह धीरे-धीरे वायुमंडल की निचली परतों में बस जाता है। यही कारण है कि जिसके माध्यम से वायुमंडल में उत्सर्जन होता है, उसे यथासंभव उच्च बना दिया जाता है।

प्रकृति और प्रौद्योगिकी में संवहन के सबसे आम उदाहरण

सबसे सरल, समझने में आसान उदाहरणों में से जो प्रकृति, रोजमर्रा की जिंदगी और प्रौद्योगिकी में देखे जा सकते हैं, निम्नलिखित पर प्रकाश डाला जाना चाहिए:

• घरेलू रेडिएटर्स के संचालन के दौरान आंदोलन;
• बादलों का निर्माण और गति;
• हवा, मानसून और हवाओं की गति की प्रक्रिया;
• टेक्टोनिक पृथ्वी प्लेटों का विस्थापन;
• ऐसी प्रक्रियाएँ जो मुक्त गैस निर्माण की ओर ले जाती हैं।

भोजन पकाना

संवहन की घटना तेजी से आधुनिक घरेलू उपकरणों, विशेष रूप से ओवन में महसूस की जाती है। संवहन वाला एक गैस ओवन आपको अलग-अलग तापमान पर अलग-अलग स्तरों पर एक साथ अलग-अलग व्यंजन पकाने की अनुमति देता है। साथ ही स्वाद और गंध का मिश्रण पूरी तरह खत्म हो जाता है।

पारंपरिक ओवन में वायु तापन एकल बर्नर पर निर्भर करता है, जिसके परिणामस्वरूप असमान ताप वितरण होता है। एक विशेष पंखे की मदद से गर्म हवा के प्रवाह की लक्षित गति के कारण, संवहन ओवन में व्यंजन अधिक रसदार होते हैं और बेहतर पके होते हैं। ऐसे उपकरण तेजी से गर्म होते हैं, जिससे खाना पकाने में लगने वाला समय कम हो जाता है।

स्वाभाविक रूप से, उन गृहिणियों के लिए जो वर्ष में केवल कुछ ही बार ओवन में खाना बनाती हैं, संवहन फ़ंक्शन वाले घरेलू उपकरण को एक आवश्यक उपकरण नहीं कहा जा सकता है। हालाँकि, जो लोग पाक प्रयोगों के बिना नहीं रह सकते, उनके लिए ऐसा उपकरण रसोई में बस अपरिहार्य हो जाएगा।

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यदि आप गर्म चूल्हे पर या जलते हुए बिजली के बल्ब पर अपना हाथ फैलाते हैं, तो आप महसूस कर सकते हैं कि गर्म हवा की धाराएँ इन वस्तुओं के ऊपर कैसे उठती हैं। जलती हुई मोमबत्ती या प्रकाश बल्ब पर लटका हुआ कागज का टुकड़ा बढ़ती गर्म हवा के प्रभाव में घूमने लगता है।

इस घटना को इस प्रकार समझाया जा सकता है। हवा गर्म लैंप के संपर्क में आती है, गर्म हो जाती है, फैलती है और आसपास की ठंडी हवा के विपरीत कम घनी हो जाती है। आर्किमिडीज़ बल, जो नीचे से ऊपर तक ठंडी हवा की ओर से गर्म हवा पर कार्य करता है, गुरुत्वाकर्षण बल से अधिक होता है, जो गर्म हवा पर कार्य करता है। इस प्रकार, गर्म हवा ऊपर उठती है, जिससे ठंडी हवा को रास्ता मिलता है।

जब किसी तरल पदार्थ को नीचे से गर्म किया जाता है तो हम ऐसी ही घटनाएं देख सकते हैं। तरल की गर्म परतें - कम घनी और इसलिए हल्की - सघन और भारी, ठंडी परतों द्वारा ऊपर की ओर धकेल दी जाती हैं। तरल की ठंडी परतें, नीचे गिरकर, ऊष्मा स्रोत द्वारा गर्म की जाती हैं और फिर से कम गर्म तरल द्वारा प्रतिस्थापित कर दी जाती हैं। इस प्रकार, यह गति सारे पानी को समान रूप से गर्म कर देती है। इसे और अधिक स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है यदि आप बर्तन के तल पर पोटेशियम परमैंगनेट के कुछ क्रिस्टल डालते हैं, जो पानी को बैंगनी रंग देता है। ऐसे प्रयोगों में हम एक अन्य प्रकार का ऊष्मा स्थानांतरण देख सकते हैं - कंवेक्शन(लैटिन शब्द "संवहन"- स्थानांतरण करना)।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि संवहन प्रक्रिया के दौरान, ऊर्जा गैस या तरल के जेट द्वारा स्वयं स्थानांतरित होती है। उदाहरण के लिए, एक गर्म कमरे में, संवहन की घटना के कारण, गर्म हवा का प्रवाह छत तक बढ़ जाता है, और ठंडी हवा का प्रवाह फर्श पर गिर जाता है। इस प्रकार, शीर्ष पर हवा फर्श के पास की तुलना में अधिक गर्म है।

संवहन दो प्रकार के होते हैं: प्राकृतिक(या दूसरे शब्दों में मुफ़्त) और मजबूर.एक कमरे में तरल पदार्थ और हवा को गर्म करने से जुड़े उदाहरण प्राकृतिक संवहन के उदाहरण हैं। जब हम किसी तरल पदार्थ को चम्मच, स्टिरर या पंप से मिलाते हैं तो हम बलपूर्वक संवहन देख सकते हैं।

तरल पदार्थ और गैस जैसे पदार्थों को नीचे से गर्म किया जाना चाहिए। यदि आप इसके विपरीत करते हैं - उन्हें ऊपर से गर्म करें, तो कोई संवहन नहीं होगा। गर्म परतें भौतिक रूप से ठंडी, सघन और भारी परतों के नीचे नहीं डूब सकतीं। इस प्रकार, संवहन प्रक्रिया होने के लिए, नीचे से गैसों और तरल पदार्थों को गर्म करना आवश्यक है।

ठोस पदार्थों में संवहन नहीं हो सकता। हम पहले से ही जानते हैं कि ठोस पदार्थों में कण एक निश्चित बिंदु के आसपास कंपन करते हैं, क्योंकि वे परस्पर आकर्षण द्वारा एक साथ बंधे रहते हैं। इसलिए, जब ठोस पदार्थों को गर्म किया जाता है, तो उनमें पदार्थ नहीं बन पाता है। ठोसों में, ऊर्जा को तापीय चालन द्वारा स्थानांतरित किया जा सकता है।

संवहन प्रकृति में व्यापक है: पृथ्वी के वायुमंडल की निचली परतों, समुद्रों, महासागरों में, हमारे ग्रह के आंतरिक भाग में, सूर्य पर (इसकी सतह से सूर्य की त्रिज्या के ~20-30% की गहराई तक की परतों में) . संवहन की घटना का उपयोग करके, गैसों और तरल पदार्थों को विभिन्न तकनीकी उपकरणों में गर्म किया जाता है।

संवहन का एक सरल उदाहरण रेफ्रिजरेटर में भोजन को ठंडा करना है। रेफ्रिजरेटर पाइप के माध्यम से घूमने वाली फ़्रीऑन गैस हवा की परतों को ठंडा करती है रेफ्रिजरेटर के शीर्ष पर. ठंडी हवा नीचे जाकर सभी उत्पादों को ठंडा कर देती है और फिर ऊपर चली जाती है। जब हम फ्रिज में खाना रखते हैं तो हमें उसमें हवा के संचार में बाधा नहीं डालनी चाहिए। रेफ्रिजरेटर के सामने स्थित ग्रिल गर्म हवा को हटाने का काम करती है जो गैस संपीड़ित होने पर कंप्रेसर में बनती है। ग्रिल का शीतलन तंत्र भी संवहनशील है, इसलिए आपको रेफ्रिजरेटर के पीछे खाली जगह छोड़नी चाहिए ताकि संवहन बिना किसी कठिनाई के हो सके।

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