Đối lưu là gì? Phân loại đối lưu và Ứng dụng của đối lưu

1. Đối lưu là gì

Đối lưu, thường được gọi là Convection trong tiếng Anh, là sự chuyển động của các nhóm phần tử bên trong chất lỏng, chẳng hạn như chất lỏng, chất khí hoặc chất thay đổi.

Khi được làm nóng, lớp chất bên dưới dâng lên, khiến chất lỏng mát đi xuống, tạo ra dòng tuần hoàn, trộn lẫn và cuối cùng dẫn đến nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ chất. Quá trình này tiếp tục cho đến khi toàn bộ chất lỏng được làm nóng.

Cơ chế đằng sau sự đối lưu là trọng lực, khối lượng riêng và lực đẩy Ác-si-mét.

Do độ dẫn nhiệt của chất lỏng và chất khí thường nhỏ, đối lưu là phương pháp truyền nhiệt chính trong chất lỏng vì nhiệt được truyền chủ yếu thông qua các chuyển động nhỏ của các ion và electron. Tốc độ chuyển động của chất lỏng càng lớn thì nhiệt có thể truyền qua đối lưu càng nhanh.

2. Các dạng đối lưu

Đối lưu hiện nay được chia làm hai loại là đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức.

• Đối lưu tự nhiên: Nó được tạo ra bởi sự khác biệt về nhiệt độ hoặc nồng độ. Gradien nhiệt độ bên trong chất lỏng sẽ dẫn đến gradien tỷ trọng và nếu chất lỏng có tỷ trọng thấp ở đáy và tỷ trọng cao ở trên thì do tác dụng của trọng lực sẽ hình thành sự đối lưu tự nhiên.
• Đối lưu cưỡng bức: Hình thành và tăng tốc độ đối lưu nhờ ngoại lực. Tốc độ chuyển động của chất lỏng và chất khí tăng lên rất nhiều do tác động của ngoại lực, do đó cho phép truyền nhiệt nhanh bằng đối lưu. Dựa trên tác dụng của ngoại lực, chất lỏng chuyển động tuần hoàn, và do đó quá trình truyền nhiệt được gọi là đối lưu cưỡng bức.

3. Hiện tượng đối lưu là gì

Đối lưu là sự truyền nhiệt qua chất lỏng hoặc chất khí, là hình thức truyền nhiệt chủ yếu của chất lỏng và chất khí.

Đối lưu là chuyển động của các bộ phận bên trong chất lỏng hoặc chất khí. Đối lưu do chênh lệch mật độ hoặc chênh lệch nhiệt độ dẫn đến thay đổi mật độ và được gọi là đối lưu tự nhiên; đối lưu do ngoại lực gây ra (chẳng hạn như kích động) được gọi là đối lưu cưỡng bức. Trong trường hợp dẫn điện, các ion chuyển động cùng với chất lỏng, đây là hình thức chuyển chất trong các phản ứng hóa học.

4. Bức xạ nhiệt

Truyền nhiệt bức xạ là nói đến sự truyền nhiệt qua các tia nhiệt thẳng – Hơn nữa, truyền nhiệt bức xạ có thể xảy ra trong chân không và trong môi trường chân không nhân tạo.

Chú ý: Cơ chế truyền nhiệt bức xạ là sự hấp thụ và tỏa năng lượng của nguyên tử khi các electron trong chất chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Sự truyền nhiệt bức xạ có bản chất giống như bức xạ thẳng, phản xạ và nhiễu xạ… từ đó giải thích được đặc điểm khả năng hấp thụ nhiệt của các chất có cấu tạo khác nhau.

5. Đối lưu khí quyển

Tầng đối lưu là tầng thấp nhất của bầu khí quyển trên một số hành tinh, bao gồm cả Trái đất. Hầu hết các hiện tượng thời tiết hàng ngày mà con người trải qua xảy ra ở tầng đối lưu. Đặc điểm của tầng đối lưu của Trái đất được thể hiện qua sự đối lưu của không khí nóng và lạnh từ bề mặt trở lên. Thuật ngữ “tầng đối lưu” dùng để chỉ lớp đối lưu này.

6. Ví dụ minh hoạ đối lưu trong đời sống

6.1. Gió từ biển 

Trên biển, khi đất nóng lên nhanh hơn nước, gió thổi mạnh từ biển vào đất liền trong những ngày nắng nóng. Tuy nhiên, đất cũng nguội nhanh hơn nước nên ban đêm gió thổi từ đất liền ra biển.

Đây được coi là một hiện tượng kỳ thú của khí quyển và là lý do tại sao bạn cảm thấy mát mẻ hơn khi nhìn ra biển vào buổi chiều và tối, và trong những ngày nắng nóng. Vào ban đêm, điều ngược lại xảy ra, với những cơn gió mát từ đất liền.

6.2. Đun sôi nước 

Khi đổ nước vào nồi hoặc xoong, khi đun nóng, lớp nước dưới đáy sẽ được đun nóng trước. Sau đó, khi nước sôi -> thể tích của nó giảm xuống, làm cho nước lạnh di chuyển xuống dưới và nước nóng lên trên. Trong một hệ thống vòng kín, đến một lúc nào đó nước trong chậu sẽ đạt nhiệt độ bằng nhau.

6.3. Dòng chảy đại dương

Nước ngầm dưới lòng biển hoạt động theo cách tương tự với không khí trong khí quyển. Vùng nước ấm hơn luôn ở gần bề mặt, trong khi vùng nước mát hơn ở sâu hơn.

6.4. Hiệu ứng Dynamo

Nó xảy ra tại lõi nóng chảy bên trong hành tinh và mặt trời, nơi kết hợp với chuyển động quay của Trái đất từ đó tạo ra dòng điện làm phát sinh từ trường Trái đất.

6.5. Năng lượng bên trong sao

Các ngôi sao như Mặt trời là những quả bóng khí khổng lồ với nguồn năng lượng chính là heli và hydro. Cơ chế truyền năng lượng chủ yếu thông qua sự cân bằng của lực và lực hút khi các hạt khí có đủ tự do để di chuyển giữa các vùng bên trong các ngôi sao.

7. Ứng dụng của đối lưu

7.1. 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.

7.2. 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.

7.3. 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.