Mikä on konvektio?

Konvektio on laajasti minkä tahansa molekyylin liike minkä tahansa nestetilan läpi, mukaan lukien nesteet ja kaasut. Se on ensisijainen lämmön ja massansiirron muoto maan päällä, ja sitä löytyy monista järjestelmistä ympäri maailmaa. Monet ihmiset tuntevat sen ruoan tai talonsa lämmittämisestä, ja sillä on myös keskeinen rooli planeetan sääolosuhteiden luomisessa.

Konvektiota on kahta päätyyppiä: pakotettua ja luonnollista. Pakotettu konvektio tapahtuu, kun lämpöä siirtävä aine liikkuu itsestään, esimerkiksi kun tuuletin työntää ilmaa. Tässä tapauksessa lämpö maksetaan nesteen ilman liikkeellä, mutta se ei itse asiassa aiheuta liikettä. Joskus pakotettua konvektiota kutsutaan myös lämmön advektioksi.

Luonnollinen konvektio tapahtuu, kun lämmön siirtävä väliaine innostuu liikkumaan itse lämmöstä. Tämä tapahtuu sekä siksi, että väliaine laajenee kuumennettaessa, kuten kaasujen tapauksessa, että myös siksi, että kelluvuus saa lämpimämmän nesteen nousemaan. Tätä muotoa kutsutaan joskus myös ilmaiseksi konvektioksi. Nämä kaksi tyyppiä, pakotetut ja luonnolliset, esiintyvät usein samanaikaisesti, jolloin lämpö aiheuttaa nesteen liikkumisen jonkin verran, mutta se liikkuu myös jonkin muun voiman vuoksi. Tässä tapauksessa sitä kutsutaan sekoitetuksi konvektioksi.

Pakotettua konvektiota voidaan nähdä monissa paikoissa maailmassa, sekä ihmisen tekemissä esineissä että luonnossa. Esimerkiksi kiertoilmauuni pakottaa lämmitetyn ilman kiertämään uunin läpi tuulettimen avulla. Vaikka ilma saattaa liikkua jonkin verran itsestään, voima mahdollistaa tasaisen lämmön jakamisen. Ihmiskehossa verenkierto on toinen loistava esimerkki pakotetusta konvektiosta. Veri on monien muiden käyttötarkoitustensa lisäksi sekä kehon lämmitys- että jäähdytysaine, ja se pakotetaan verenkiertojärjestelmän läpi.

Luonnollinen konvektio nähdään helpoimmin asettamalla jotain tuulettamattoman lämmönlähteen, kuten patterilämmittimen, yläpuolelle. Kun suoraan lämmittimen yläpuolella oleva ilma kuumenee, se nousee, koska se on kelluvampaa kuin sen ympärillä oleva kylmä ilma. Jos asetat pehmopaperikappaleen lämmittimen yläpuolelle, näet sen siirtyvän ylöspäin luonnollisen ilman liikkeen vuoksi. Samoin nesteessä voit nähdä saman vaikutuksen työssä kuumentamalla yhden värillisen nesteen ja asettamalla sen eriväriseen kylmempään nesteeseen. Lämmin neste nousee ylös.

Konvektiolla on keskeinen rooli merivirtojen luomisessa ja se auttaa säätelemään sääolosuhteita ympäri maailmaa massiivisen konvektiojärjestelmän avulla. Auringon lämmittämät lämpimät vesivirrat suuntaavat päiväntasaajalta napoihin, ja kun ne kulkevat, ne jäähtyvät tasaisesti ja auttavat heitä uppoamaan. Siellä he nousevat ja alkavat liikkua uudelleen muodostaen massiivisen kuljetinhihnan, joka joissakin tapauksissa voi kestää jopa 1,600 vuotta matkansa loppuun saattamiseksi.