koncept
konvekce je název pro prostředek přenosu tepla, který se liší od vedení a záření. Je to také termín, který popisuje procesy ovlivňující atmosféru, vody a pevnou zemi. V atmosféře stoupá horký vzduch na konvekčních proudech, cirkuluje a vytváří mraky a větry. Podobně konvekce v hydrosféře cirkuluje vodu a udržuje teplotní gradienty oceánů stabilní., Termín konvekce obecně odkazuje na pohyb tekutin, což znamená kapaliny a plyny, ale ve vědách o zemi může být konvekce také použita k popisu procesů, které se vyskytují v pevné zemi. Tato geologická konvekce, jak je známo, pohání pohyb desky, který je jedním z klíčových aspektů deskové tektoniky.
JAK TO FUNGUJE
Úvod do Proudění
Některé pojmy a jevy kříž disciplinární hranice v rámci věd o zemi, příkladem je fyzikální proces konvekce., To má stejnou relevanci pro vědce pracující v geologických, atmosférických a hydrologických věd, nebo říše studie zabývající se geosférickou, atmosféry a hydrosféry, resp. Jedinou hlavní složkou systému země, které nejsou přímo ovlivněny prouděním je biosféry, ale vzhledem k vysoké míře propojení mezi různými subsystémy, konvekce nepřímo ovlivňuje biosféru ve vzduchu, vody a pevné země.,
Konvekce může být definována jako vertikální cirkulace, která vyplývá z rozdílů v hustotě nakonec způsobené rozdíly v teplotě, a to zahrnuje přenos tepla prostřednictvím pohybu horké tekutiny z jednoho místa na druhé. Ve fyzikálních vědách se termín tekutina týká jakékoli látky, která proudí, a proto nemá určitý tvar. To obvykle znamená kapaliny a plyny, ale ve vědách o zemi se může vztahovat i na pomalu tekoucí pevné látky., Během velkých časových úseků studovaných vědci země může být čistý tok pevných látek za určitých okolností (například led v ledovcích) značný.
Konvekce a Teplo
Jak je uvedeno v předchozím odstavci, konvekce souvisí úzce se tepla a teploty a nepřímo souvisí další jev, tepelné energie. To, co lidé obvykle nazývají teplo, je ve skutečnosti tepelná energie nebo kinetická energie (energie spojená s pohybem) produkovaná molekulami v pohybu vůči sobě navzájem.,
teplo je ve svém vědeckém významu vnitřní tepelná energie, která proudí z jednoho těla hmoty do druhého nebo ze systému při vyšší teplotě do systému při nižší teplotě. Teplota tak může být definována jako míra průměrné molekulární kinetické energie systému. Teplota také řídí směr vnitřního toku energie mezi dvěma systémy. Dva systémy při stejné teplotě jsou údajně ve stavu tepelné rovnováhy; když k tomu dojde, nedochází k výměně tepla, a proto teplo existuje pouze při přenosu mezi dvěma systémy.,
neexistuje žádná taková věc jako chlad, pouze nepřítomnost tepla. Pokud existuje teplo pouze v tranzitu mezi systémy, z toho vyplývá, že směr toku tepla musí být vždy ze systému při vyšší teplotě do systému při nižší teplotě.(Tato skutečnost je zakotvena ve druhém zákoně termodynamiky, který je diskutován spolu s dalšími tématy uvedenými zde, v energetice a zemi.) Přenos tepla probíhá třemi způsoby: vedení, konvekce a záření.
vedení a záření.,
vedení zahrnuje postupné molekulární kolize a přenos tepla mezi dvěma kontaktními tělesy. Obvykle se vyskytuje v pevné látce. Konvekce vyžaduje pohyb tekutiny z jednoho místa na druhé, a, jak již bylo uvedeno, může probíhat v kapalné, plynné, nebo v blízkosti pevné, že se chová jako pomalu tekoucí kapalina. Konečně, záření zahrnuje elektromagnetické vlny a nevyžaduje žádné fyzické médium, jako je voda nebo vzduch, pro přenos.
Pokud dáte jeden konec kovové tyče do ohně a poté se dotknete „chladného“ konce o několik minut později, zjistíte, že již není v pohodě., Toto je příklad, topení vedením, přičemž kinetická energie je předáván z molekuly na molekulu, stejně jako tajemství, je předán z jedné osoby na druhou podél řady lidí, kteří stojí bok po boku. Stejně jako původní formulaci tajemství stává nečitelné, některé kinetické energie je nevyhnutelně ztracen v sérii převodů, což je důvod, proč na konci tyče mimo oheň je stále mnohem lepší, než ten sedí v plamenech.
pokud jde o záření, liší se od vedení a konvekce tím, že nevyžaduje žádné médium pro jeho přenos., To vysvětluje, proč je prostor chladný, ale sluneční paprsky ohřívají zemi: paprsky jsou formou elektromagnetické energie a cestují pomocí záření vesmírem. Prostor je samozřejmě virtuální nepřítomností média, ale po vstupu do zemské atmosféry se teplo z elektromagnetických paprsků přenáší na různá média v atmosféře, hydrosféře, geosféře a biosféře. Toto teplo se pak přenáší pomocí konvekce a vedení.
přenos tepla konvekcí.
jako vedení a na rozdíl od záření vyžaduje konvekce médium., Při vedení se však teplo přenáší z jedné molekuly na druhou, zatímco v konvekci se samotná ohřátá tekutina skutečně pohybuje. Stejně jako to dělá, odstraňuje nebo vytlačuje studený vzduch v cestě. Tok ohřáté tekutiny v této situaci se nazývá konvekční proud.
konvekce je dvou typů: přírodní a nucené. Stoupající ohřátý vzduch je příkladem přirozené konvekce. Horký vzduch má nižší hustotu než chladnější vzduch v atmosféře nad ním, a proto je vznášející se; jak stoupá, ztrácí energii a ochlazuje., Tento ochlazený vzduch, nyní hustší než vzduch kolem něj, opět klesá a vytváří opakující se cyklus, který vytváří vítr.
nucená konvekce nastává, když čerpadlo nebo jiný mechanismus pohybuje vyhřívanou kapalinou. Příklady zařízení s nucenou konvekcí zahrnují některé typy pecí a dokonce i chladničky nebo klimatizace. Jak již bylo uvedeno výše, je možné přenášet teplo pouze z vysokoteplotního zásobníku na nízkoteplotní, a proto tyto chladicí stroje pracují odstraněním horkého vzduchu., Lednice vytáhne teplo z jeho prostoru a vyloučí to, aby okolní místnosti, zatímco klimatizace vytáhne teplo z místnosti nebo budovy a pustí to ven.
nucená konvekce nemusí nutně zahrnovat umělé stroje: lidské srdce je čerpadlo a krev přenáší přebytečné teplo generované tělem na kůži. Teplo prochází kůží pomocí vedení a na povrchu kůže je odstraněno z těla mnoha způsoby, především ochlazením odpařování potu.,
REAL-ŽIVOT APLIKACE
Konvektivní Buňky
Jeden důležitý mechanismus konvekce, ať už ve vzduchu, vodě, nebo i na pevné zemi, je konvektivní buňky, někdy známý jako konvekční buňky. Ten může být definován jako kruhový vzor vytvořený stoupáním zahřáté tekutiny a potopením chlazené tekutiny. Konvektivní buňky mohou být jen několik milimetrů napříč, nebo mohou být větší než samotná země.
tyto buňky lze pozorovat na řadě stupnic. Uvnitř misky polévky stoupá vyhřívaná tekutina a ochlazené kapalné kapky., Tyto procesy jsou obvykle těžké vidět, pokud se dotyčný pokrm nestane takovým, jako je japonská miso polévka. V tomto případě lze pozorovat kousky sójové pasty nebo miso, jak se zvedají při zahřátí a pak klesnou do interiéru, aby se znovu zahřály.
na mnohem větším měřítku jsou na slunci přítomny konvektivní buňky. Tyto obrovské buňky se na povrchu Slunce objevují jako zrnitý vzor tvořený proměnnými teploty mezi částmi buňky., Světlé skvrny jsou vrcholem stoupajících konvekčních proudů, zatímco tmavé oblasti jsou chlazeny plynem na cestě do solárního interiéru, kde bude ohříván a znovu stoupat.
kumulonimbusový mrak nebo „thunderhead“ je zvláště dramatickým příkladem konvekční buňky. To jsou některé z nejvýraznějších oblačnosti nikdo nevidí, a z tohoto důvodu režisér Akira Kurosawa použil scény ofrolling thunderheads přidat atmosférické kvality (a to doslova) jeho 1985 epic Běžel., Během několika minut se tyto vertikální věže mraku tvoří jako zahřáté, vlhký vzduch stoupá, pak ochlazuje a padá. Výsledkem je oblak, který, jak se zdá, ztělesňuje jak moc, tak neklid, a proto Kurosawa používá mraky cumulonimbus ve scéně, která se odehrává v předvečer bitvy.
mořský vánek.
konvekční buňky spolu s konvekčními proudy pomáhají vysvětlit, proč je na pláži obvykle vánek. U moře je samozřejmě povrch půdy a vodní plocha, obě vystaveny slunečnímu světlu., Při takové expozici teplota půdy stoupá rychleji než teplota vody. Důvodem je, že voda má mimořádně vysoká měrná tepelná kapacita—je množství tepla, které musí být přidány nebo odstraněny z jednotky hmotnosti dané látky, aby se změna jeho teploty o 33,8°F (1°C). Jezero, potok nebo oceán je tedy vždy dobrým místem pro ochlazení v horkém letním dni.
země pak má tendenci se rychleji zahřívat, stejně jako vzduch nad ní., Tento ohřátý vzduch stoupá v konvekčním proudu, ale jak stoupá a tím překonává gravitační tah, vynakládá energii, a proto začíná vychladnout. Ochlazený vzduch pak klesá. A tak to jde, s ohřátým vzduchem stoupajícím a chladícím vzduchem klesajícím, tvořícím konvektivní buňku, která neustále cirkuluje vzduch a vytváří vánek.
konvektivní buňky pod nohama.,
Konvektivní buňky také může existovat v pevné zemi, kde způsobují desky (pohyblivé segmenty) litosféry—horní vrstva z nitra Země, včetně kůry a lámavé část v horní části pláště—shift. Hrají tedy roli v deskové tektonice, jedné z nejdůležitějších oblastí studia ve vědách o zemi. Desková tektonika vysvětluje řadu jevů, od kontinentálního driftu po zemětřesení a sopky. (Viz desková tektonika pro mnohem více na toto téma.,)
zatímco sluneční elektromagnetická energie je zdrojem tepla za atmosférickou konvekcí, energie, která pohání geologickou konvekci, je geotermální, vycházející z jádra Země v důsledku radioaktivního rozpadu. (Viz energie A země.) Konvektivní buňky se tvoří v astenosféře, což je oblast extrémně vysokého tlaku v hloubce asi 60-215 mi. (asi 100-350 km), kde jsou skály deformovány obrovským napětím.,
V astenosféra, vyhřívaná materiál zvyšuje konvekční proud, dokud nenarazí na spodní části litosféry (horní vrstva Zemské interiéru, včetně kůry a horní plášť), za které nemůže stoupat. Proto se začíná pohybovat bočně nebo vodorovně, a jak to dělá, táhne část litosféry. Současně tento vyhřívaný materiál vytlačuje chladnější, hustší materiál ve své cestě. Chladnější materiál klesá dolů do pláště(silná, hustá vrstva horniny, přibližně 1,429 mi., tlustý, mezi zemskou kůrou a jádrem), dokud se znovu nezahřívá a nakonec se nezvedne, čímž se cyklus šíří.
pokles: spravedlivé Počasí a faul
stejně jako u konvektivních buněk může dojít k poklesu v atmosféře nebo geosféře. Termín pokles může odkazovat buď na proces ustupování, na straně vzduchu nebo pevné země, nebo v případě pevné země na výslednou formu. Je tedy různě definován jako pohyb vzduchu směrem dolů, potopení země nebo deprese v zemi., V tomto kontextu budeme diskutovat o atmosférickém poklesu, který je blíže spojen s konvekcí. (Pro více informací o geologickémsubsidence, Viz položky geomorfologie a masové plýtvání.)
v atmosféře dochází k poklesu v důsledku narušení normálního vzestupného toku konvekčních proudů. Tyto proudy mohou působit tak, aby vytvořily konvektivní buňku, jak jsme viděli, což vede k proudění větru. Vodní pára ve vzduchu může při ochlazování kondenzovat, měnit stav na kapalinu a vytvářet mraky., Konvekce může vytvořit oblast nízkého tlaku, doprovázenou konvergujícími větry, v blízkosti zemského povrchu, jev známý jako cyklón. Na druhé straně, pokud dojde k poklesu, má za následek vytvoření vysokotlaké oblasti známé jako anticyklon.
vzdušné parcely nadále stoupají v konvekčních proudech, dokud se hustota jejich horní části rovná hustotě okolní atmosféry, v tomto bodě se sloupec vzduchu stabilizuje., Na druhé straně může dojít k poklesu, pokud se vzduch v nadmořské výšce několika tisíc stop stane hustším než okolní vzduch, aniž by byl nutně chladnější nebo vlhčí. Ve skutečnosti je tento vzduch neobvykle suchý a může být teplý nebo studený. Jeho hustota pak způsobuje, že klesá, a stejně jako to dělá, stlačuje vzduch kolem něj. Výsledkem je vysoký tlak na povrchu a rozbíhající se větry těsně nad povrchem.
zde popsaná forma atmosférického poklesu přináší příjemné výsledky a vysvětluje, proč jsou vysokotlaké systémy obvykle spojeny s příznivým počasím., Na druhou stranu, pokud odeznění vzduch se usazuje na chladnějších ležel vzduchu, vytváří, co je známé jako pokles inverze, a výsledky jsou mnohem méně prospěšné. V této situaci se vrstva teplého vzduchu uvízne mezi chladnějšími vrstvami nad a pod ní, ve výšce několika set nebo dokonce několika tisíc stop. To znamená, že znečištění ovzduší je také zachyceno a vytváří potenciální zdravotní riziko. Inverze poklesu se vyskytují nejčastěji na Dálném severu během zimy a ve východních Spojených státech během pozdního léta.,
když tekutina působí jako tekutina
až do tohoto okamžiku jsme hovořili především o konvekci v atmosféře a geosféře, ale má význam také v oceánech. Příklad miso polévky uvedený dříve ilustruje pohyb tekutiny, a tedy částic, ke kterému může dojít, když je konvektivní buňka nastavena v kapalině.
podobně v konvekci oceánu-poháněné jak teplem z povrchu, tak ve větší míře geotermální energií na dně—udržuje vody v konstantním oběhu., Oceánská konvekce vede k přenosu tepla v hlubinách a udržuje oceán stabilně rozvrstvený. Jinými slovy, vrstvy nebo vrstvy odpovídající různým teplotním hladinám jsou udržovány stabilní a divoce kolísají.
vod Oceánu fit nejčastější, každodenní definice tekutin, ale jak je uvedeno na začátku této eseje, tekutina může být cokoliv, co toků—včetně plynu, nebo, za zvláštních okolností, solidní. Pevné horniny nebo pevný led, ve formě ledovců, mohou být vyrobeny tak, aby proudily, pokud jsou materiály dostatečně deformovány., K tomu dochází například tehdy, když váha ledovce deformuje led na dně, což způsobuje pohyb ledovce jako celku. Podobně, geotermální energie, teplo rock a způsobit, že k toku, nastavení do pohybu konvektivní proces deskové tektoniky, popsané výše, které se pohybuje doslova na zemi.
kde se dozvědět více
průvodce pedagogem pro konvekci (webové stránky). < http://www.solarviews.com/eng/edu/convect.htm>.
Erickson, Jon. Desková tektonika: odhalování tajemství země. New York: fakta ve spisu, 1992.
Hess, Harry., „Historie oceánských pánví“ (webové stránky). < ;.
Jones, Helen. Open-Ocean Deep Convection: průvodce po poli (webové stránky). < http://puddle.mit.edu/~helen/oodc.html>.
Ocean Oasis Teacher ‚ s Guide Activity 4 (Web). < http://www.oceanoasis.org/teachersguide/activity4.html>.
Santrey, Laurence a Lloyd Birmingham. Teplo. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.
střelec, R. S., A Arjen Verkaik. Prostorné Nebe. Newton Abbot, Anglie: David a Charles, 1989.
Sigurdsson, Haraldur., Tavení Země: historie myšlenek o sopečných erupcích. New York: Oxford University Press, 1999.
Smith, David G. Cambridge Encyclopedia of Earth Sciences. New York: Cambridge University Press, 1981.
KLÍČOVÉ VLASTNOSTI
ASTENOSFÉRA:
oblast velmi vysokého tlaku hlubších litosféry, kde skály jsou deformované obrovské napětí. Asthenosphere ležív hloubce asi 60-215 mi. (asi 100-350 km).
atmosféra:
obecně je atmosféra přikrývkou plynů obklopujících planetu., Pokud není zjištěna jinak, nicméně, termín se odkazuje na atmosféru Země, která se skládá z dusíku (78%), kyslíku (21%), argonu (0.93%), a dalších látek, které patří vodní pára, oxid uhličitý, ozon, vzácné plyny jako jsou neon, které společně tvoří 0.07%.
BIOSFÉRY:
kombinace všech živých věcí na Zemi—rostlin, zvířat, ptáků, mořského života, hmyz, viry, jednobuněčných organismů, a tak dále—stejně jako všechny dříve živé věci, které se dosud rozkládá.
vedení:
přenos tepla následnými molekulárními srážkami., Vedení je hlavním prostředkem přenosu tepla v pevných látkách, zejména kovech.
konvekce:
vertikální cirkulace, která je výsledkem rozdílů v hustotě, které nakonec vyvolaly rozdíly v intemperature. Konvekce zahrnuje přenos tepla pohybem horké tekutiny z jednoho místa na druhé a je dvou typů, přírodních a nucených. (Viz přirozená konvekce, nucená konvekce. )
konvekční proud:
tok materiálu zahřátého konvekcí.,
konvektivní buňka:
kruhový vzor vytvořený stoupáním zahřáté tekutiny a potopením chlazené tekutiny. To se někdy nazývá konvekční buňka.
jádro:
střed Země, Oblast představující asi 16% objemu planety a 32% její hmotnosti. Vyrobeno převážně ze železa a jiného, lehčího prvku (případně síry), je rozděleno mezi pevné vnitřní jádro s poloměrem asi 760 mi.(1,220 km) a kapalné vnější jádro O1, 750 mi. (2,820 km) tlustý.,
kůra:
nejvyšší rozdělení pevné země, představující méně než 1% jejího objemu a měnící se do hloubky od 3 do 37 mi. (5 až 60 km). Pod kůrou je plášť.
tekutina:
ve fyzikálních vědách se termín tekutina týká jakékoli látky, která proudí, a proto nemá určitý tvar. Tekutiny mohou být jak kapaliny, tak plyny. Ve vědách o zemi občas látky, které se zdají být pevné (například led v ledovcích), ve skutečnosti proudí pomalu.,
NUCENÁ KONVEKCE:
Konvekce, že výsledky z akce čerpadlo, nebo jiný mechanismus (ať už umělá nebo přírodní), režie vyhřívaná kapaliny směrem k určitému cíli.
geosféra:
horní část zemské kontinentální kůry nebo ta část pevné země, na které žijí lidské bytosti a která jim poskytuje většinu potravin a přírodních zdrojů.
teplo:
vnitřní tepelná energie, která proudí z jednoho tělesa hmoty do druhého.,
hydrosféra:
celá zemská voda, kromě vodní páry v atmosféře, ale včetně všech oceánů, jezer, potoků, podzemních vod, sněhu a ledu.
kinetická energie:
energie, kterou má objekt na základě svého pohybu.
litosféra:
horní vrstva zemského vnitřku, včetně kůry a křehké části v horní části pláště.
plášť:
hustá vrstva horniny, přibližně 1,429 mi. (2300 km) tlustý, mezi zemskou kůrou a jejím jádrem.,
přirozená konvekce:
konvekce, která je výsledkem vztlaku zahřáté tekutiny, což způsobuje její vzestup.
desková tektonika:
název jak teorie, tak specializace tektoniky. Jako oblast studia se desková tektonika zabývá velkými rysy litho-koule a silami, které je formují. Jako ateorie vysvětluje procesy, které formovaly Zemi z hlediska desek a jejich pohybu.
desky:
velké pohyblivé segmenty litosféry.,
záření:
přenos energie pomocí elektromagnetických vln, které pro přenos nevyžadují žádné fyzikální médium (například vodu nebo vzduch). Země přijímá sluneční energii prostřednictvím elektromagnetického spektra pomocí záření.
SEDÁNÍ:
termín, který se odkazuje buď na proces ustupuje, na straně vzduchu nebo pevné Zemi, nebo, v případě pevné Zemi, aby výsledná formace. Pokles je tedy různě definován jako klesající pohyb vzduchu, potopení země nebo deprese v zemské kůře.,
systém:
jakákoli sada interakcí, které lze mentálně oddělit od zbytku vesmíru pro účely studia, pozorování a měření.
tektonika:
studium tektonismu, včetně jeho příčin a účinků, zejména budování hor.
TEKTONISMUS:
deformace litosféry.
teplota:
směr vnitřního toku energie mezi dvěma systémy při přenosu tepla. Teplota měří průměrnou molekulární kinetickou energii v tranzitu mezi těmito systémy.,
tepelná energie:
tepelná energie, forma kinetické energie produkované pohybem atomových nebo molekulárních částic ve vztahu k sobě navzájem. Čím větší je relativní pohyb těchto částic, tím větší je tepelná energie.
