Đối lưu là gì?
Đối lưu (hay convection) chỉ sự di chuyển của những nhóm phân tử trong chất lưu như chất lỏng, chất khí hay chất lưu biến. Khi được đun nóng, lớp chất lỏng ở dưới nóng lên, nở ra, bộ phận khá nóng lên cao, bộ phận khá lạnh xuống thấp, lưu động tuần hoàn và pha trộn vào nhau, cuối cùng khiến cho nhiệt độ thuận theo đồng đều. Cứ thể cho tới khi cả khối chất lỏng nóng lên.
Ví dụ: Khi ta đun nước, dòng nước bên dưới sẽ nóng lên, trọng lượng riêng giảm và chuyển động dần dần lên phía trên, còn phần nước ở phía trên có trọng lượng riêng lớn hơn nên sẽ chuyển động xuống dưới.
Cơ chế của đối lưu
Cơ chế của dòng đối lưu là trọng lực và lực đẩy Ác-si-mét.
Nguyên lý hoạt động của đối lưu dựa trên sự chuyển động của chất lỏng hoặc khí trong một môi trường có sự chênh lệch về nhiệt độ hoặc nồng độ. Hiện tượng này có thể được mô tả như sau:
1. Convection nhiệt
Khi có sự khác biệt về nhiệt độ giữa hai vùng chất lỏng hoặc khí, vùng có nhiệt độ cao sẽ có mật độ thấp hơn vùng có nhiệt độ thấp hơn. Do đó, vùng nóng sẽ nổi lên và vùng lạnh sẽ chìm xuống. Quá trình này tạo ra một luồng chất lỏng hoặc khí chuyển động theo chiều dọc.
2. Đối lưu nồng độ
Khi có sự khác biệt về nồng độ giữa hai vùng chất lỏng hoặc khí, vùng có nồng độ cao sẽ có mật độ cao hơn vùng có nồng độ thấp hơn. Do đó, vùng nồng độ cao sẽ chìm xuống và vùng nồng độ thấp sẽ nổi lên. Quá trình này tạo ra một luồng chất lỏng hoặc khí chuyển động theo chiều ngang.
Phân loại các dạng đối lưu
Đối lưu được chia ra làm hai loại cụ thể là đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bách.
1. Đối lưu tự nhiên
Đối lưu tự nhiên thường phát sinh tự nhiên, xảy ra do sự chênh lệch nồng độ hoặc nhiệt độ, gây ra sự biến hóa mật độ. Phần chất lưu gần nguồn nhiệt sẽ nóng hơn các nơi khác và khi nhiệt độ càng tăng cao thì thể tích của phần chất lưu đó cũng tăng lên theo, khiến cho khối lượng riêng giảm. Lực đẩy Acsimet sẽ tác dụng vào phần chất nhẹ và khiến chúng nổi lên. Một lượng chất lưu lạnh hơn sẽ chuyển từ điểm gần nguồn nhiệt để bù lại phần chất lưu nóng đã nổi lên.
Trong tự nhiên, hiện tượng đối lưu trên bề mặt Trái Đất sẽ tạo ra các dòng biển nóng và lạnh chảy, các cơn gió biển, các dòng khí nóng kết hợp với lạnh tạo nên lốc xoáy,… Trong vũ trụ, plasma chảy tạo thành dòng trong một số ngân hà và tinh vân.
2. Đối lưu cưỡng bách
Đối lưu cưỡng bách là đối lưu xảy ra do sự tác động ngoại lực. Vận tốc lưu động của chất lỏng hoặc khí càng lớn thì tốc độ truyền nhiệt càng nhanh.
Hiện tượng đối lưu trong tự nhiên
Trong tự nhiên, chúng ta có thể bắt gặp một số hiện tượng đối lưu như:
Gió từ biển
Trên biển, khi đất liền nhanh nóng hơn nước biển vào một ngày nắng, gió thổi từ biển vào đất liền mạnh mẽ. Tuy nhiên, đất liền cũng giảm nhiệt độ nhanh hơn so với nước biển vào ban đêm, do đó gió sẽ thổi từ đất liền ra biển. đó là lý do tại sao chúng ta cảm thấy mát mẻ hơn khi nhìn ra biển vào buổi chiều và tối trong một ngày nắng nóng. Vào ban đêm, hiện tượng ngược lại xảy ra, gió mát thổi từ đất liền vào.
Đun sôi nước
Khi chúng ta đun nước trong một ấm hoặc nồi, các lớp nước tại đáy sẽ được nóng lên trước. Sau đó, nước nở ra và khối lượng riêng của nó giảm đi, do đó nước lạnh sẽ dịch chuyển xuống dưới và nước nóng nổi lên trên cùng. Trong một quá trình tuần hoàn khép kín, vào một thời điểm nào đó, nước trong ấm sẽ có cùng nhiệt độ trong toàn bộ khối lượng nước đó.
Dòng chảy đại dương
Nước ngầm dưới lòng biển hoạt động tương tự như không khí trong khí quyển. Vùng nước ấm hơn thường nằm gần bề mặt, trong khi vùng nước mát hơn lại nằm sâu hơn. Điều này tạo ra một hiện tượng này trong dòng chảy của nước trong đại dương.
Hiệu ứng Dynamo
Hiệu ứng Dynamo xảy ra trong lõi nóng chảy của hành tinh và Mặt Trời, kết hợp với sự quay của Trái Đất, tạo ra một dòng điện và từ đó phát sinh ra trường từ của Trái Đất. Hiệu ứng này là kết quả của sự đối lưu trong chất lỏng dẫn nhiệt bên trong hành tinh hoặc ngôi sao.
Năng lượng bên trong sao
Các ngôi sao như Mặt Trời là các cầu khí khổng lồ với nguồn khí chính là helium và hydro. Trong sao, đối lưu và lực hấp dẫn là cơ chế chính vận chuyển năng lượng. Phân tử khí tự do di chuyển giữa các khu vực bên trong sao, tạo thành sự trao đổi nhiệt và năng lượng trong quá trình đối lưu.
Ứng dụng đối lưu trong thực tiễn
Điều hòa: Máy điều hòa không khí được đặt gần trần của các phòng, để không khí được làm mát, dày đặc hơn, đi xuống và làm mát gần sàn nhà một cách nhanh chóng.
Bộ tản nhiệt chất lỏng: Hệ thống làm mát bằng chất lỏng là thiết bị cho phép truyền nhiệt từ chất lỏng có nhiệt độ cao sang chất lỏng khác có nhiệt độ thấp. Đó là nguyên lý hoạt động của máy điều hòa không khí và cơ cấu làm mát của máy tính cá nhân và điện thoại thông minh ngày nay.
Tháp tản nhiệt: Tháp tản nhiệt, còn được gọi là tháp làm mát, được sử dụng để tản nhiệt từ các cơ sở công nghiệp khác nhau như nhà máy điện hạt nhân, nhà máy lọc dầu và các khu công nghiệp khác. Tháp tản nhiệt vào khí quyển thay vì thải xuống đất hoặc nước.
Đèn kéo quân nhờ đối lưu không khí để xoay.
Được ứng dụng để sản xuất nhiều loại thiết bị như lò nướng, máy sưởi,....
