Конвекция

   Помещая руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно почувствовать, что над ними поднимаются теплые струи воздуха. Небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться (рис. 10). Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с теплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на теплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
    Такие же явления мы наблюдаем и при нагревании жидкости снизу. Нагретые слои жидкости — менее плотные и поэтому более легкие — вытесняются вверх более тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается. Это становится наглядным, если на дно колбы бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает струи воды в фиолетовый цвет (рис. 11). В описанных опытах мы наблюдали еще один вид теплопередачи, называемый конвекция (от лат. слова конвекцио — перенесение).
   При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости. Так, например, в отапливаемой комнате благодаря конвекции поток теплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз (рис. 12). Поэтому у потолка воздух всегда теплее, чем вблизи пола. Различают два вида конвекции: естественную (или свободную) и вынужденную. Так нагревание жидкости, а также воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложкой, насосом и т. д. Жидкости и газы следует нагревать снизу. Если их прогревать сверху (см. рис. 7, 8), то при таком способе конвекция не происходит. Нагретые слои не могут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Следовательно, для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
   Конвекция в твердых телах происходить не может. Вам уже известно, что частицы в твердых телах колеблются около определенной точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твердых тел в них не могут образовываться потоки вещества. Энергия в твердых телах может передаваться теплопроводностью.