Forskjellen mellom konveksjon og ledning

Hovedforskjell - Konveksjon vs ledning

konveksjon og ledning er begge mekanismer for varmeoverføring. De hovedforskjell mellom konveksjon og ledning er det, jegn konveksjon, overføres varmen gjennom en massestrøm av materiale mens i ledning, varme overføres gjennom partikkelkollisjoner som utgjør materialet.

Hva er ledning

Partikler som utgjør saken, er alltid i gang. Når temperaturen øker, har partiklene større kinetiske energier, og følgelig vibrerer de med større amplituder. Under ledning, en vibrerende partikkel banker en nærliggende partikkel, som gir energi på den partikkelen. Denne partikkelen vibrerer nå med en større amplitude, og den kan kollidere med et annet nærliggende atom, noe som gir det energi. Denne energioverføringsprosessen kan fortsette fra den ene enden av en gjenstand til den andre enden. Siden en økning i kinetisk energi av partikler manifesterer seg fysisk som en temperaturøkning, blir den gradvise økningen i de kinetiske energiene av partikler langs objektet ledsaget av en gradvis økning i temperaturen langs gjenstanden. Denne prosessen, hvorved varme overføres som et resultat av kolliderende partikler, kalles ledning.

Evnen til et materiale til å overføre varme via ledning er preget av dets konduktivitet. Hastigheten for varmeoverføring,  eller varmestrømmen, mellom to gjenstander som har en temperaturforskjell på  er gitt av

hvor   og er tverrsnittsarealet og lengden av lederens overføringsvarme henholdsvis. Brevet  er den termisk ledningsevne, målt i enheter av W m^-1 K^-1.

Som sett fra ligningen er hastigheten på varmeoverføringen direkte proporsjonal med temperaturforskjellen og lederens tverrsnittsareal, og omvendt proporsjonal med lederens lengde. Verdien av termisk ledningsevne avhenger av materialets mikroskopiske egenskaper. Metaller er gode termiske ledere fordi de inneholder et stort antall fri elektroner som kan kollidere fritt for å overføre energi. I mellomtiden vibrerer ioner som danner gitteret om faste stillinger også kolliderer og overfører varme. De frielektronene er imidlertid ansvarlige for det meste av varmeoverføringen i metaller.

Hva er konveksjon

Konveksjon er mekanismen for varmeoverføring i materialer gjennom en massestrøm av materialet. Her, for å overføre varme, beveger deler av materialet seg selv - det er en masseoverføring i materialet. Vanligvis oppstår konveksjon i væsker. Imidlertid kan effekter av konveksjon ses noen ganger i faste stoffer, som i tilfelle av platetektonikk. Diagrammet nedenfor viser svirlemønstre av konveksjon dannet av damp som stiger fra en kopp kaffe:

Konveksjonsstrømmer som begynner å dannes i damp som stiger fra en kopp varm væske

Konveksjon er en kompleks prosess, og det er ingen enkel ligning som fullt ut beskriver den. Imidlertid kan vi benytte en tilnærming til tilfeller der et væske oppvarmes ved hjelp av en solid overflate. For disse tilfellene er varmeoverføringshastigheten  er gitt av,

hvor  er overflaten som varmen overføres gjennom,  er temperaturen på det faste stoffet,  er temperaturen på luften.  er kjent som konvektiv varmeoverføringskoeffisient. Denne koeffisienten avhenger av et antall egenskaper, inkludert densitet, viskositet og strømningshastighet av fluidet. Enheten for konvektiv varmeoverføringskoeffisient er W m^-2 K^-1.

Vær oppmerksom på at væskene som overfører varme via konveksjon, også overfører varme via ledning. Hvis ledningen er svært effektiv, kan den forhindre dannelsen av konveksjonelle strømmer og hindre konvektiv varmeoverføring. Hvorvidt den dominerende varmeoverføringsmekanismen er ledning eller konveksjon for et fluid, kan bli funnet ved å beregne et nummer kjent som Rayleigh nummer.

Diagrammet nedenfor illustrerer tilfeller der hver av de tre typer varmemidlemekanisme er dominerende.

Forskjellen mellom de tre hovedvarmeoverføringsmekanismer som er illustrert: forskjellen mellom konveksjon og stråling ble dekket i en annen artikkel.

Forskjellen mellom konveksjon og ledning

Mekanisme

conduction overfører varme via overføring av kinetisk energi under kollisjoner mellom vibrerende partikler.

konveksjon overfører varme ved å flytte partiklene som utgjør materialet.

Materiale

conduction er vanligvis den dominerende mekanismen for varmeoverføring i faste stoffer.

konveksjon er typisk den dominerende mekanismen for varmeoverføring i væsker.

Bilde Courtesy

"Konveksjon" av Rebecca Siegel (eget arbeid) [CC BY 2.0], via flickr

"ไทย: http://www.roasterproject.com/2010/01/heat-transfer-thebasics/" av Kmecfiunit (eget arbeid) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons