Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)

§ 14. Конвекція

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Чи доводилося вам тримати долоню над увімкненими електроплитою або обігрівачем? над багаттям або свічкою? Що ви відчували? Висуньте гіпотезу щодо причин явища, що відбувається. Чи може таке явище відбуватися в рідинах? у твердих тілах? Де це явище застосовують?

1. Як рідини і гази проводять тепло?

Коли ми тримаємо долоню над будь-яким гарячим об’єктом, то маємо справу ще з одним видом теплопередачі — конвекцією.

Конвекція — це вид теплопередачі, який здійснюється шляхом перенесення енергії потоками рідини або газу.

Конвекційні потоки гарячого повітря, що підіймаються від полум’я свічки, навіть можуть обертати легку вертушку (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Висхідні потоки гарячого повітря, діючи на легку металеву вертушку, надають їй досить швидкого руху

Конвекція може відбуватися не тільки в газах, а й у рідинах.

Щоб переконатися в цьому, наповнимо круглодонну колбу на три чверті водою й закріпимо її в лапці штатива. Паличкою покладемо на дно колби кілька дрібок акварельної фарби. Потім нагріватимемо колбу знизу. За деякий час із дна колби почнуть підніматися забарвлені струминки води. Досягши верхніх шарів води, струминки спускатимуться вздовж холодніших боків колби (рис. 14.2); далі процес повториться. У результаті відбудеться природне перемішування нагрітих і ненагрітих частин рідини.

А от у твердих тілах конвекція не може відбуватися, оскільки у твердих тілах не можуть виникнути потоки речовини.

Рис. 14.2. Дослід, який демонструє конвекцію в рідині. Теплі забарвлені струминки води піднімаються, а холодні — опускаються

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Мрія літати на крилах, немов Дедал та Ікар — герої давньогрецької міфології, приваблювала людство багато століть. Проте рівень розвитку техніки довгий час виключав можливість безпечних польотів. Згадаймо, що крила Ікара розсипалися, бо їх було скріплено воском. Лише в 90-х роках XIX ст. людина отримала змогу планерувати в небі, наче птах. Але й це було можливим тільки на схилах гір, де явище конвекції є значним. Сучасні дельтаплани (див. заставку до § 14) є більш автономними. Вони можуть підніматися на висоту декілька кілометрів і долати значну відстань.

2. Чому виникає конвекція?

Спочатку з’ясуймо причини виникнення природної конвекції. Для цього подумки виділимо невеликий об’єм рідини в посудині, яку розміщено над пальником.

Ви знаєте: на будь-яке тіло, що міститься всередині рідини (або газу), діють сила тяжіння та архімедова сила. Ті самі сили діють на будь-який невеликий об’єм власне рідини (рис. 14.3). Як відомо, в разі підвищення температури рідина розширюється, її густина зменшується й архімедова сила, що діє на виділений об’єм рідини, стає більшою, ніж сила тяжіння. Унаслідок цього нагріта рідина (яка має меншу густину) спливає, а холодна рідина (яка має більшу густину) опускається.

Рис. 14.3. На будь-який невеликий об'єм рідини діють сила тяжіння та виштовхувальна (архімедова) сила

Аналогічні міркування справджуються й для газів.

Часто природне перемішування шарів рідини або газу є неможливим або недостатнім. У такому разі вдаються до їх штучного перемішування — примусової конвекції (рис. 14.4). Примусове перемішування повітря здійснюють, наприклад, у космічному кораблі, в умовах невагомості, де не діє архімедова сила.

Рис. 14.4. Вода в посудині нагрівається завдяки природній конвекції. Для більш рівномірного прогрівання, наприклад, густої каші господиня вдається до примусової конвекції — перемішує кашу ложкою

ДОСЛІДЖЕННЯ

Що знадобиться: свічка; сірники.

Під наглядом дорослих запаліть свічку та дослідіть напрямок конвекційних потоків уздовж відчинених дверей. Поясніть результати спостереження.

3. Чому пічнику треба знати фізику?

З курсу географії вам відомо, що одним із чинників, які впливають на клімат Землі, є вітри. А чи знаєте ви, що однією з основних причин появи вітрів на планеті є конвекція?

Розглянемо, наприклад, як утворюється бриз — вітер, що виникає поблизу берега моря чи великого озера. Удень суходіл прогрівається швидше за воду, тому температура повітря над суходолом вища, ніж над поверхнею води. Повітря над суходолом розширюється, його густина зменшується, і повітря підіймається.

У результаті тиск над суходолом падає і холодне повітря з водойми починає низом переміщуватися до суходолу — виникає денний (морський) бриз (рис. 14.5, а).

Рис. 14.5. Утворення бризів — денних і нічних — пояснюється конвекцією: а — денний (морський) бриз; б — нічний (береговий) бриз

• Поясніть, як утворюється нічний (береговий) бриз (рис. 14.5, б).

Через нерівномірне нагрівання води виникають постійні течії в морях і океанах. Океанські течії, як і вітри, відіграють значну роль у формуванні клімату на нашій планеті.

З конвекцією ми часто маємо справу й у повсякденному житті. Наприклад, унаслідок конвекції здійснюється обігрівання та охолодження помешкань. Завдяки конвекції нагріваються вода в чайнику та їжа в каструлі. Створення тяги також є проявом конвекції (рис. 14.6). Повітря в печі нагрівається і розширюється, його густина зменшується, і тепле повітря прямує вгору, у трубу. У результаті тиск повітря навколо дров і в трубі зменшується й стає меншим від тиску в кімнаті; завдяки цьому збагачене киснем холодне повітря струмує до дров.

Рис. 14.6. Створення тяги: збагачене киснем холодне повітря потрапляє до печі завдяки конвекції

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Опишіть дослід на доведення того, що в процесі нагрівання теплі потоки рідини піднімаються, а холодні — опускаються. 2. Що таке конвекція? 3. Чим відрізняється конвекція від теплопровідності? 4. Назвіть причини виникнення природної і примусової конвекції. 5. Чи можлива конвекція в речовинах, які перебувають у твердому стані? 6. Наведіть приклади проявів конвекції в природі та в житті людини.

ВПРАВА № 14

1. Чому язики полум’я підіймаються?

2. Чому, коли ви перебуваєте в прохолодному приміщенні, у вас більше за все мерзнуть ноги?

3. Чому влітку вода в річці на глибині холодніша, ніж на поверхні?

4. Де краще розмістити балон із водою, щоб швидше охолодити воду в ньому за допомогою льоду: на льоду, під льодом чи поряд із ним? Відповіді аргументуйте.

5. Перед якими труднощами ви постанете, якщо будете намагатися закип’ятити воду в посудині, висота якої в три рази більша за висоту чашки на рисунку, використовуючи той самий нагрівач?