對流
編輯對流是單相或多相流體流動,由于材料特性的不均勻性和體積力對流體的綜合影響而自發發生,最常見的是密度和重力(見浮力)。 當對流的原因不明確時,可以假設是由于熱膨脹和浮力的影響而產生的對流。 對流也可能發生在顆粒可以流動的軟固體或混合物中。
對流可能是瞬態的(例如當油水的多相混合物分離時)或穩態(參見對流單元)。 對流可能是由于重力、電磁力或虛構體力引起的。 通過自然對流進行的熱傳遞在地球大氣、海洋和地幔的結構中發揮著重要作用。 大氣中離散的對流單元可以通過云來識別,更強的對流導致雷暴。 自然對流也在恒星物理學中發揮作用。 對流通常根據引起對流的主要影響進行分類或描述,例如 熱對流。
在大多數固體中不會發生對流,因為既不會發生大電流流動,也不會發生物質的顯著擴散。 顆粒對流是顆粒材料而不是流體中的類似現象。平流是由速度而不是熱梯度產生的流體運動。對流傳熱是有意使用對流作為傳熱方法。
歷史
編輯在 1830 年代,在布里奇沃特論文中,對流一詞在科學意義上得到證實。 在 William Prout 的論文 VIII 中,在化學書中,它說:
[...] 這種熱運動以三種方式發生,一個普通的壁爐很好地說明了這一點。 例如,如果我們將溫度計直接放在火前,它很快就會開始上升,表明溫度升高了。 在這種情況下,熱量通過稱為輻射的過程穿過火和溫度計之間的空間。 如果我們將第二個溫度計與爐排的任何部分接觸,并遠離火的直接影響,我們會發現這個溫度計也表示溫度升高; 但這里的熱量一定是通過爐排的金屬傳播的,這就是所謂的傳導。 最后,在煙囪中放置第三個溫度計,遠離火的直接影響,也將顯示溫度顯著升高; 在這種情況下,一部分空氣通過并靠近火源,被加熱,并將從火中獲得的溫度帶到煙囪。 目前在我們的語言中還沒有一個術語用來表示這種熱傳播的第三種模式。 但我們冒昧地為此目的提出術語對流,[在腳注中:[拉丁] Convectio,攜帶或傳送],它不僅表達了主要事實,而且與其他兩個術語非常一致。
后來,在同一篇論文 VIII 中,在氣象學書中,對流的概念也被應用于熱量通過水傳遞的過程。
術語
編輯今天,對流這個詞在不同的科學或工程背景或應用中有不同但相關的用法。
在流體力學中,對流具有更廣泛的意義:它是指流體在密度(或其他性質)差異的驅動下的運動。
在熱力學中,對流通常是指通過對流進行的熱傳遞,其中前綴變體 Natural 對流用于區分流體力學概念的對流(在本文中介紹)與對流傳熱。
一些導致表面上類似于對流單元的效果的現象也可能(不準確地)稱為對流形式,例如 熱毛細管對流和顆粒對流。
機制
編輯對流可能發生在比幾個原子大的所有尺度的流體中。 有多種情況會產生對流所需的力,從而導致不同類型的對流,如下所述。 從廣義上講,對流是由于流體內的體力作用而產生的,例如重力。
自然對流
自然對流是一種流動,液體(如水)或氣體(如空氣)的運動,其中流體運動不是由任何外部源(如泵、風扇、抽吸裝置等)產生的,而是由 流體的某些部分比其他部分重。 在大多數情況下,這會導致自然循環,即系統中流體隨著重力和可能的熱能變化而連續循環的能力。 自然對流的驅動力是重力。 例如,如果在較熱的密度較低的空氣之上有一層密度較低的冷空氣,重力會更強烈地拉動頂部密度較大的層,因此它會下降,而較熱的密度較低的空氣會上升以取代它的位置。 這會產生循環流動:對流。
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