KONVEKSI: KARAKTERISTIK, CONTOH, APLIKASI - FISIK - 2025

The konveksi adalah salah satu dari tiga mekanisme yang panas dipindahkan dari satu zona ke dingin lebih hangat lagi. Ini terjadi karena pergerakan massa fluida, yang bisa berupa cairan atau gas. Bagaimanapun, media material selalu dibutuhkan agar mekanisme ini berlangsung.

Semakin cepat pergerakan fluida yang dimaksud, semakin cepat pula transfer energi termal antar zona dengan temperatur berbeda. Ini terjadi terus menerus dengan massa udara atmosfer: daya apung memastikan bahwa yang lebih hangat dan kurang padat naik sementara yang lebih dingin dan lebih padat turun.

Gambar 1. Sebuah ruangan didinginkan dengan membuka pintu, karena udara panas (panah merah) dan kurang padat naik dan keluar darinya. Sumber: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Contohnya adalah ruangan tertutup pada gambar, yang segera disegarkan segera setelah pintu atau jendela dibuka, karena udara panas dari dalam lolos bahkan melalui celah-celah, memberi jalan ke udara segar dari luar yang tersisa lebih banyak. turun.

Jenis konveksi

Konveksi alami dan paksa

Gambar 2. Contoh konveksi paksa dan konveksi alami. Sumber: Cengel, Y. Termodinamika.

Konveksi bisa alami atau dipaksakan. Pada kasus pertama, fluida bergerak dengan sendirinya, seperti saat membuka pintu ruangan, sedangkan pada kasus kedua dipaksa oleh kipas angin atau pompa, misalnya.

Difusi dan adveksi

Ada juga dua varian: difusi dan adveksi. Dalam difusi, molekul fluida bergerak kurang lebih secara acak dan transmisi panasnya lambat.

Sebaliknya, adveksi memindahkan sejumlah besar massa fluida, yang dapat dicapai dengan memaksa konveksi dengan kipas, misalnya. Tetapi keuntungan dari adveksi adalah jauh lebih cepat daripada difusi.

¿

Model matematika sederhana dari perpindahan panas konvektif adalah hukum pendinginan Newton. Pertimbangkan permukaan yang panas di area A, dikelilingi oleh udara yang lebih dingin, sehingga perbedaan suhunya kecil.

Mari kita sebut kalor yang ditransfer Q dan waktu t. Tingkat perpindahan panas adalah dQ / dt atau diturunkan dari fungsi Q (t) terhadap waktu.

Karena panas adalah energi panas, maka satuannya dalam Sistem Internasional adalah joule (J), oleh karena itu kecepatan transfernya dalam joule / sekon, yaitu watt atau watt (W).

Laju ini berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara benda panas dan medium, dilambangkan sebagai ΔT dan juga dengan luas permukaan A benda:

Konstanta proporsionalitas disebut h, yang merupakan koefisien perpindahan panas secara konveksi dan ditentukan secara eksperimental. Satuannya dalam Sistem Internasional (SI) adalah W / m ² . K, tetapi umumnya dalam satuan derajat Celcius atau Celcius.

Perlu diketahui bahwa koefisien ini bukan merupakan sifat fluida, karena bergantung pada beberapa variabel, seperti geometri permukaan, kecepatan fluida dan karakteristik lainnya.

Menggabungkan semua hal di atas, secara matematis hukum pendinginan Newton mengambil bentuk ini:

Penerapan hukum Newton tentang pendinginan

Seseorang berdiri di tengah-tengah ruangan 20 ° C, di mana sedikit angin bertiup. Berapa tingkat panas yang ditransmisikan orang tersebut ke lingkungan melalui konveksi? Asumsikan luas permukaan yang terpapar adalah 1,6 m ² dan suhu permukaan kulit adalah 29 ºC.

Fakta : konveksi panas koefisien perpindahan dalam hal ini adalah 6 W / m ² . ºC

Larutan

Orang tersebut dapat mengirimkan panas ke udara di sekitarnya, karena panas bergerak saat angin bertiup. Untuk mencari kecepatan transfer dQ / dt, cukup masukkan nilai ke persamaan Newton untuk pendinginan:

dQ / dt = 6 W / m ² . ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W.

Contoh konveksi

Hangatkan tangan Anda di atas api unggun

Merupakan hal yang umum untuk menghangatkan tangan Anda dengan mendekatkan tangan ke api unggun atau pemanggang roti panas, karena udara di sekitar sumber panas akan memanas dan mengembang, naik karena kurang padat. Saat bersirkulasi, udara panas ini menyelimuti dan menghangatkan tangan Anda.

Gambar 3. Salah satu cara untuk menghangatkan tangan Anda adalah melalui arus konveksi yang tercipta di udara oleh api. Sumber: Pxfuel.

Aliran udara di pantai

Di pantai, laut lebih dingin daripada daratan, sehingga udara di atas daratan memanas dan naik, sementara udara yang lebih dingin tiba dan mengendap di ruang yang ditinggalkan oleh yang lain ini saat naik.

Ini disebut sel konveksi dan merupakan alasan mengapa terasa lebih sejuk saat memandang ke laut dan angin bertiup ke wajah Anda di hari yang panas. Pada malam hari terjadi sebaliknya, angin sejuk datang dari darat.

Siklus air

Konveksi alami terjadi di udara pantai samudra, melalui siklus hidrologi, di mana air dipanaskan dan diuapkan berkat radiasi matahari. Uap air yang terbentuk naik, mendingin, dan mengembun menjadi awan, yang massanya meningkat dan naik secara konveksi.

Seiring bertambahnya ukuran butiran air, akan tiba saatnya air jatuh dalam bentuk hujan, padat atau cair, tergantung suhu.

Rebus air dalam wadah

Jika air ditempatkan di ketel atau panci, lapisan yang paling dekat dengan dasar dipanaskan terlebih dahulu, karena api atau panas dari kompor paling dekat. Kemudian air mengembang dan kepadatannya berkurang, oleh karena itu naik dan air yang lebih dingin mengambil tempat di dasar wadah.

Gambar 4. Pemanasan air secara konveksi. Sumber: wikimedia Commons. Pengguna: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Dengan cara ini semua lapisan bersirkulasi dengan cepat dan seluruh badan air memanas. Ini adalah contoh adveksi yang bagus.

Pembangkitan angin

Konveksi pada massa udara, bersama dengan gerakan rotasi bumi, menghasilkan angin, saat udara dingin bergerak dan bersirkulasi di bawah udara panas, menciptakan berbagai arus yang disebut arus konveksi.

Arus laut

Air berperilaku dengan cara yang mirip dengan udara di atmosfer. Air yang lebih hangat hampir selalu berada di dekat permukaan, sedangkan air yang lebih dingin lebih dalam.

Efek dinamo

Itu terjadi di inti cair di dalam planet, di mana ia bergabung dengan gerakan rotasi bumi, menghasilkan arus listrik yang menimbulkan medan magnet bumi.

Transmisi energi di dalam bintang

Bintang seperti Matahari adalah bola gas yang sangat besar. Konveksi adalah mekanisme transpor energi yang efisien di sana, karena molekul gas memiliki kebebasan yang cukup untuk bergerak di antara area interior bintang.

Penerapan konveksi

AC

AC ditempatkan di dekat langit-langit ruangan, sehingga udara dingin yang lebih padat turun dan mendingin lebih cepat ke lantai.

Penukar panas

Ini adalah perangkat yang memungkinkan transmisi panas dari satu fluida ke fluida lainnya dan merupakan prinsip pengoperasian AC dan mekanisme pendinginan mesin mobil, misalnya.

Isolator termal di gedung

Mereka dibuat dengan menggabungkan lembaran bahan isolasi dan menambahkan gelembung udara di dalamnya.

menara pendingin

Juga disebut menara pendingin, mereka berfungsi untuk membuang panas yang dihasilkan oleh pembangkit listrik tenaga nuklir, kilang minyak, dan berbagai fasilitas industri lainnya ke udara, bukan ke tanah atau ke air.

Referensi

1. Giambattista, A. 2010. Fisika. 2nd. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Konduksi, konveksi dan radiasi. Diperoleh dari: eltamiz.com.
3. Natahenao. Aplikasi panas. Diperoleh dari: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 1. 7. Ed. Pembelajaran Cengage.
5. Wikipedia. Konveksi. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Thermique konveksi. Diperoleh dari: fr.wikipedia.org.