§ 8. Конвекция

Конвекцией называют перенос энергии потоками жидкости или газа. В отличие от теплопроводности, здесь перемещается само вещество. Когда воду нагревают снизу, её нижние слои получают энергию и обычно расширяются. Их плотность уменьшается, поэтому под действием выталкивающей силы они поднимаются. Более холодная и плотная вода опускается на освободившееся место. Возникает непрерывная циркуляция, которая помогает прогреть значительную часть жидкости.

Такой механизм называют естественной конвекцией, потому что движение возникает из-за различий плотности в поле тяжести. Если жидкость нагревают сверху, условия для перемешивания оказываются хуже: тёплый менее плотный слой уже находится наверху. Тогда нижние слои нагреваются медленнее. В твёрдых телах обычная конвекция невозможна, поскольку частицы не могут образовывать свободно перемещающиеся макроскопические потоки, подобные течениям жидкости или воздуха.

В комнате воздух возле радиатора нагревается и поднимается, а более холодный воздух поступает к радиатору снизу. Постепенно формируются потоки, распределяющие энергию по помещению. Поэтому расположение отопительных приборов и препятствий влияет на обогрев. Конвекция участвует и в возникновении тяги: нагретые газы поднимаются по трубе, а снизу поступает воздух. Однако реальное движение зависит также от формы каналов, ветра и разности температур.

Существует и вынужденная конвекция, при которой жидкость или газ перемещают насосом, вентилятором либо другим устройством. Такой способ используют в системах охлаждения и отопления. Вентилятор не обязательно снижает температуру воздуха сам по себе, но усиливает обмен энергией между воздухом и поверхностями. При объяснении примеров важно сначала установить, перемещается ли вещество, а затем определить причину движения: различие плотности или действие внешнего устройства.