Varmekonvektion

Grundbeskrivelse

Når en væske eller gas transporterer varme ved at bevæge sig væk fra varmekilden, kalder man det varmekonvektion.

Varmekonvektion i nærheden af en varmekilde. (Chano Birkelind)

Hvis man for eksempel har en radiator, vil luften i nærheden af den blive opvarmet. Jo varmere luften bliver, jo mere udvider den sig. Med andre ord bliver dens massefylde mindre end den omgivende lufts, og stiger til vejrs.

 Den omgivende koldere luft synker derfor ned mod varmekilden, og bliver derefter opvarmet, mens den luft, der steg op køles ned. På den måde får man en rotation af luften omkring en varmekilde.  

Dyrs pels virker i store træk isolerende ved at forhindre varmekonvektion, så den opvarmede luft bliver ved hudens overflade.

Uddybende beskrivelse

Opdriften af varm luft, som beskrevet i grundbeskrivelsen, kan forklares ved hjælp af idealgasloven for konstant tryk:

\[\frac{V}{T}=\frac{nR}{p}=konstant\]

Hvor V er volumen, T temperaturen, n antal mol, R universal gaskonstant og p trykket.
Når volumen stiger, men massen er uforandret, ændres massefylden med forholdet:

\[\rho=\frac{m}{V}\]

Hvor \(\rho\) er massetætheden og m massen. Fordi massefylden bliver mindre, når volumen stiger, som effekt af den højere temperatur, får man altså skabt en opdrift.

Konvektionsceller i vand under opvarmning. (Chano Birkelind)

Et andet eksempel på varmekonvektion er mønstrene, der forekommer, når man varmer en væske op. Overfladen på blandt andet olie under opvarmning kan virke helt krakeleret. De krakelerede mønstre er grænserne mellem de individuelle cirkulationsceller, der medfører en ujævn brydning af lyset i overfladen.

Man formoder, det er samme proces, der foregår i Solen ved transport af energi fra solens indre til overfladen. Når man ser på solens overflade, virker den grynet, eller minder om overfladen på en appelsin. Det menes, at det ligesom med vand og olie, der varmes op, skyldes konvektionsceller.

Nærbillede af Solens overflade med en solplet. Hvert af de små områder, der adskilles af de mange tusinde linier, er toppen af en konvektionscelle. (wikimedia commons)

I Jordens indre dannes der også konvektionsstrømme, fordi varmeoverskuddet ikke kan slippe ud ved varmeledning gennem jordskorpen.  Bevægelsen af de tektoniske plader antages til dels at være en effekt af konvektionscellernes grænser. Det varme materiale bliver bragt op til undersiden af kappen, men da det ikke kan slippe ud, søger det ud til siderne.

Konvektionsstrømme i Jordens indre er med til at bryde og bevæge jordens skorpe, som de kontinentalplader, vi kender. (Chano Birkelind)

Dette er med til at knække Jordens skorpe op i store plader, som vi kalder kontinentalplader. De bevæger sig under påvirkning af kræfter fra det underliggende materiale. Trykkræfter fra det opadstigende magma og trækkræfter, når det søger udad og yderligere trækkræfter, når den kolde del af jordskorpen synker ned i den varme magma.

I grove træk er det sådan, at hvor varmen stiger op, skrider pladerne fra hinanden og danner forkastninger, og hvor de synker ned, rammer de sammen og kan danne bjergkæder. Idet de rammer sammen, vil den ene plade skubbe sig ind under den anden. Den nedre plade vil så blive presset ned i magmalaget, hvor den smeltes. Den nu koldere magma synker ind mod jordens centrum for derefter at indgå i en ny konvektionsstrøm opad.

Kølepladen på processoren i en computer virker ved at forene både varmeledning, varmestråling og varmekonvektion til at bortlede varmen fra elektronikken. Metallet leder hurtigt varmen rundt i køleren, og den grill-lignende form på en køleplade er konstrueret således for at øge overfladen, der kan nedkøles ved cirkulation af luft.

Af fuldstændig samme årsag er husets radiatorer som regel også rillede, da varmen fra radiatoren så spredes hurtigere i huset.

Chano Birkelind