对流：特性，示例，应用 - 物理 - 2025

所述对流是这三种机制的热量从一个区域转移到另一个较暖冷却器中的一个。由于流体质量的运动而发生，流体可以是液体或气体。在任何情况下，始终需要一种物质介质来实现该机制。

所讨论的流体运动越快，不同温度区域之间的热能传递就越快。这在大气中不断发生：浮力确保较热和较不密集的空气上升而较冷和较不密集的空气下降。

图1.打开门为房间冷却，因为热空气（红色箭头）和密度较小的空气会升起并从中逸出。资料来源：维基共享资源。Genieclimatique / CC BY-SA（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

这样的一个例子是图像中的封闭房间，一旦打开门或窗户，它就会立即冷却，因为内部的热空气甚至会通过裂缝逸出，而让外部的新鲜空气让路，剩下的更多下。

对流类型

自然对流和强制对流

图2.强制对流和自然对流的示例。资料来源：Cengel，Y.热力学。

对流可以是自然的也可以是强制的。在第一种情况下，流体本身会移动，就像打开房间的门时一样；而在第二种情况下，流体是由例如风扇或泵推动的。

扩散和平流

也可以有两个变体：扩散和对流。在扩散中，流体分子或多或少地随机运动，并且热传递缓慢。

相反，对流运动大量的流体，这可以通过例如用风扇强制对流来实现。但是对流的优势在于它比扩散快得多。

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对流传热的简单数学模型是牛顿冷却定律。考虑区域A的热表面，周围有较冷的空气，因此温度差很小。

我们称传热Q和时间t。传热速率为dQ / dt或相对于时间从函数Q（t）得出。

由于热是热能，因此在国际体系中其单位是焦耳（J），因此传输速率以焦耳/秒为单位，单位为瓦或瓦特（W）。

该速率与热物体和介质之间的温度差（称为ΔT）成正比，也与物体的表面积A成正比：

比例常数称为h，它是对流传热的系数，由实验确定。其在国际系统（SI）中的单位为W / m ²。K，但通常以摄氏度或摄氏度为单位。

重要的是要注意，该系数不是流体属性，因为它取决于各种变量，例如表面的几何形状，流体的速度和其他特性。

结合以上所有内容，数学上的牛顿冷却定律采用以下形式：

牛顿冷却定律的应用

一个人站在20°C的房间中间，微风吹过。人通过对流传递到环境的热量是多少？假设暴露的表面积为1.6 m ²，皮肤的表面温度为29ºC。

事实：对流传热系数为6 W / m ²。ºC

解

人可以将热量传递到周围的空气，因为微风在吹动时它就在运动。要找到传输速率dQ / dt，只需将值插入牛顿方程进行冷却：

dQ / dt = 6 W / m ²。ºCx 1.6 m ² x（29ºC-20°C）= 86.4瓦。

对流的例子

在篝火旁温暖双手

通常，通过将手靠近篝火或热的烤面包机来温暖您的手，因为热源周围的空气反过来会变热并膨胀，因为密度较低而上升。循环时，这种热空气会包裹住并温暖您的手。

图3.温暖双手的一种方法是通过火在空气中产生的对流。资料来源：Pxfuel。

海岸上的气流

在海岸上，海洋比陆地要冷，因此陆地上方的空气会加热并上升，而上升时，较冷的空气会到达并停留在彼此留下的空间中。

这就是所谓的对流池，这就是为什么在出海时感觉凉爽，在炎热的日子里微风吹拂在脸上的原因。在晚上，情况恰恰相反，凉风来自陆地。

水循环

自然对流通过水文循环发生在大洋沿岸的空气中，由于太阳辐射，水被加热和蒸发。如此形成的水蒸气上升，冷却并凝结成云，其质量通过对流而增加和上升。

随着水滴尺寸的增加，有时会根据温度而以雨水，固体或液体的形式掉落。

烧开容器中的水

将水放入水壶或锅中时，最靠近底部的层将首先加热，因为燃烧器的火焰或热量最接近。然后，水膨胀，密度降低，因此上升，冷水在容器底部移入。

图4.通过对流加热水。资料来源：维基共享资源。用户：Oni Lukos / CC BY-SA（http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/）。

通过这种方式，所有层都快速循环，整个水体变热。这是对流的一个很好的例子。

风力发电

空气团中的对流以及地球的自转运动会在冷空气移动并在热空气下循环时产生风，从而产生称为对流的各种电流。

洋流

水的行为与空气在大气中的行为类似。温暖的水几乎总是靠近地表，而凉爽的水则更深。

发电机效果

它发生在行星内部的熔融核中，与地球的旋转运动结合在一起，产生电流，从而产生了地球磁场。

星星内部的能量传输

像太阳这样的恒星是巨大的气体球体。对流是一种有效的能量传输机制，因为气态分子具有足够的自由在恒星内部区域之间移动。

对流的应用

空调

空调被放置在房间天花板附近，因此较冷的冷空气会下降并迅速靠近地板。

换热器

它是一种允许热量从一种流体传递到另一种流体的设备，并且例如是空调的运行原理和汽车发动机的冷却机构。

建筑物中的绝热体

它们是通过组合绝缘材料片并在内部添加气泡而制成的。

冷却塔

它们也称为冷却塔，用于将核电站，炼油厂和其他各种工业设施产生的热量散发到空气中，而不是散发到地面或水中。

参考文献

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