אם תקרבו את ידכם אל מנורה חשמלית דלוקה או תניחו את כף ידכם מעל תנור לוהט, תוכלו להרגיש את התנועה של זרמי אוויר חמים. ניתן להבחין באותה השפעה כאשר דף נייר מתנודד מעל להבה פתוחה. שתי ההשפעות מוסברות על ידי הסעה.
מה זה?
תופעת ההסעה מבוססת על התפשטות של חומר קר יותר במגע עם מסות חמות. בנסיבות כאלה, החומר המחומם מאבד את צפיפותו והופך קל יותר בהשוואה לחלל הקר המקיף אותו. באופן המדויק ביותר, מאפיין זה של התופעה מתאים לתנועת זרימות החום כאשר המים מחוממים.
תנועת מולקולות בכיוונים מנוגדים בהשפעת חימום היא בדיוק מה שמבוססת על הסעה. קרינה ומוליכות תרמית הם תהליכים דומים, אך הם נוגעים בעיקר להעברת אנרגיה תרמית במוצקים.
דוגמאות חיות של הסעה - תנועת אוויר חם באמצע חדר עם חימוםמכשירי חשמל, כאשר זרמים מחוממים נעים מתחת לתקרה, ואוויר קר יורד אל פני השטח של הרצפה. זו הסיבה שכאשר החימום פועל, האוויר בחלק העליון של החדר מתחמם בצורה ניכרת בהשוואה לחלק התחתון של החדר.
חוק ארכימדס והתרחבות תרמית של גופים פיזיים
כדי להבין מהי הסעה טבעית, מספיק לשקול את התהליך תוך שימוש בדוגמה של חוק ארכימדס ותופעת התפשטות הגופים בהשפעת קרינה תרמית. אז, על פי החוק, עלייה בטמפרטורה מובילה בהכרח לעלייה בנפח הנוזל. הנוזל המחומם מלמטה במיכלים עולה גבוה יותר, ולחות בצפיפות גבוהה יותר, בהתאמה, נעה נמוכה יותר. במקרה של חימום מלמעלה יישארו במקומם נוזלים צפופים יותר ופחות, ובמקרה זה לא תתרחש התופעה.
הופעת המושג
המונח "הסעה" הוצע לראשונה על ידי המדען האנגלי ויליאם פרוט עוד ב-1834. הוא שימש לתיאור התנועה של מסות תרמיות בנוזלים מחוממים ונעים.
המחקרים התיאורטיים הראשונים של תופעת הסעה התחילו רק ב-1916. במהלך הניסויים, נמצא כי המעבר מדיפוזיה להסעה בנוזלים מחוממים מלמטה מתרחש כאשר מגיעים לערכי טמפרטורה קריטיים מסוימים. מאוחר יותר, ערך זה הוגדר כ"מספר רואל". זה נקרא כך על שם החוקר שחקר אותו. תוצאות הניסויים אפשרו להסביר את תנועת זרימות החום בהשפעת כוחותיו של ארכימדס.
סוגי הסעה
יש כמה סוגים של התופעה שאנו מתארים - הסעה טבעית וכפויה. דוגמה לתנועה של זרימת אוויר חם וקר באמצע החדר היא הדרך הטובה ביותר לאפיין את תהליך ההסעה הטבעית. לגבי מאולץ, ניתן להבחין בכך בעת ערבוב הנוזל עם כף, משאבה או בוחש.
הסעה בלתי אפשרית כאשר מוצקים מחוממים. זה נובע מהמשיכה ההדדית החזקה למדי במהלך הרטט של החלקיקים המוצקים שלהם. כתוצאה מחימום של גופי מבנה מוצק, הסעה וקרינה אינן מתרחשות. מוליכות תרמית מחליפה תופעות אלו בגופים כאלה ותורמת להעברת אנרגיה תרמית.
מה שנקרא הסעה קפילרית היא סוג נפרד. התהליך מתרחש כאשר הטמפרטורה משתנה במהלך תנועת הנוזל דרך הצינורות. בתנאים טבעיים, המשמעות של הסעה כזו, יחד עם הסעה טבעית וכפויה, היא חסרת משמעות ביותר. עם זאת, בטכנולוגיית החלל, הסעה קפילרית, קרינה ומוליכות תרמית של חומרים הופכים לגורמים משמעותיים מאוד. אפילו תנועות ההסעה החלשות ביותר בתנאים חסרי משקל מקשות על יישום כמה משימות טכניות.
הסעה בשכבות קרום כדור הארץ
תהליכי הסעה קשורים קשר בל יינתק עם היווצרות טבעית של חומרים גזים בעובי קרום כדור הארץ. ניתן לראות את הגלובוס ככדור המורכב מכמה שכבות קונצנטריות. ממש במרכז יש ליבה חמה מאסיבית, שהיא מסה נוזלית בצפיפות גבוהה המכילה ברזל,ניקל, כמו גם מתכות אחרות.
השכבות שמסביב לליבה של כדור הארץ הן הליתוספירה והמעטפת הנוזלית למחצה. השכבה העליונה של כדור הארץ היא ישירות קרום כדור הארץ. הליתוספירה נוצרת מלוחות בודדים הנמצאים בתנועה חופשית, הנעים לאורך פני המעטפת הנוזלית. במהלך חימום לא אחיד של חלקים שונים של המעטפת והסלעים, הנבדלים בהרכב ובצפיפות שונים, נוצרות זרימות הסעה. בהשפעת זרימות כאלה מתרחשת הטרנספורמציה הטבעית של קרקעית האוקיינוס ותנועת היבשות הנושאות.
הבדלים בין הסעה להולכת חום
יש להבין מוליכות תרמית כיכולת של גופים פיזיקליים להעביר חום באמצעות תנועה של תרכובות אטומיות ומולקולריות. מתכות הן מוליכות חום מצוינות, שכן המולקולות שלהן נמצאות במגע הדוק זו עם זו. להיפך, חומרים גזים ונדיפים פועלים כמוליכי חום גרועים.
איך מתרחשת הסעה? הפיזיקה של התהליך מבוססת על העברת חום עקב תנועה חופשית של מסת המולקולות של החומרים. בתורו, מוליכות תרמית מורכבת אך ורק בהעברת אנרגיה בין החלקיקים המרכיבים את הגוף הפיזי. עם זאת, שני התהליכים בלתי אפשריים ללא נוכחותם של חלקיקי חומר.
דוגמאות לתופעה
הדוגמה הפשוטה והמובנת ביותר להסעה היא תהליך של מקרר רגיל. מחזורגז פריאון מקורר דרך הצינורות של תא הקירור מוביל לירידה בטמפרטורה של שכבות האוויר העליונות. בהתאם, מוחלפים בנחלים חמים יותר, הקרים שוקעים למטה, ובכך מצננים את המוצרים.
השבכה הממוקמת בפאנל האחורי של המקרר ממלאת את התפקיד של אלמנט המקל על הוצאת האוויר החם שנוצר במדחס של היחידה במהלך דחיסת גז. קירור הרשת מבוסס גם על מנגנוני הסעה. מסיבה זו לא מומלץ לעמוס את החלל שמאחורי המקרר. אחרי הכל, רק במקרה זה, קירור יכול להתרחש ללא קושי.
ניתן לראות דוגמאות אחרות להסעה על ידי התבוננות בתופעה טבעית כמו תנועת הרוח. מתחממות מעל יבשות צחיחות ומתקררות על פני שטח קשים יותר, זרמי אוויר מתחילים לעקור זה את זה, וגורמים להם לנוע, כמו גם להזיז לחות ואנרגיה.
האפשרות של דואי ציפורים ורחפנים קשורה להסעה. מסות אוויר פחות צפופות וחמות יותר, עם חימום לא אחיד ליד פני כדור הארץ, מובילות להיווצרות זרמים עולים, התורמים לתהליך הדאייה. כדי להתגבר על המרחקים המקסימליים ללא הוצאת כוח ואנרגיה, ציפורים זקוקות ליכולת למצוא זרמים כאלה.
דוגמאות טובות להסעה הן היווצרות עשן בארובות ובמכתשים געשיים. תנועת העשן כלפי מעלה מבוססת על הטמפרטורה הגבוהה שלו וצפיפותו הנמוכה יותר בהשוואה לסביבתו. כשהעשן מתקרר, הוא שוקע בהדרגה בשכבות התחתונות של האטמוספירה. בדיוק בגלל הסיבה הזוצינורות תעשייתיים, דרכם משתחררים חומרים מזיקים לאטמוספירה, עשויים גבוה ככל האפשר.
הדוגמאות הנפוצות ביותר של הסעה בטבע ובטכנולוגיה
בין הדוגמאות הפשוטות והקלות להבנה שניתן לראות בטבע, בחיי היומיום ובטכנולוגיה, עלינו להדגיש:
- זרימת אוויר במהלך פעולת סוללות חימום ביתיות;
- היווצרות ותנועה של עננים;
- תהליך התנועה של רוח, מונסונים ובריזות;
- שינוי של לוחות אדמה טקטוניים;
- תהליכים המובילים להיווצרות גז חופשי.
בישול
יותר ויותר, תופעת ההסעה מתממשת במכשירי חשמל ביתיים מודרניים, בפרט בתנורים. ארון הגז עם הסעה מאפשר לך לבשל מנות שונות בו זמנית ברמות נפרדות בטמפרטורות שונות. זה מבטל לחלוטין את ערבוב הטעמים והריחות.
התנור המסורתי מסתמך על מבער יחיד לחימום האוויר, וכתוצאה מכך לפיזור חום לא אחיד. בשל תנועה מכוונת של זרמי אוויר חם בעזרת מאוורר מיוחד, מנות בתנור הסעה מתגלות כעסיסיות יותר ואפויות טוב יותר. מכשירים כאלה מתחממים מהר יותר, מה שמפחית את הזמן הנדרש לבישול.
כמובן, לעקרות בית שמבשלות בתנור רק כמה פעמים בשנה, מכשיר ביתי עםהפונקציה של הסעה לא יכולה להיקרא טכניקה של צורך ראשון. עם זאת, למי שלא יכול לחיות בלי ניסויים קולינריים, מכשיר כזה יהפוך פשוט חיוני במטבח.
אנו מקווים שהחומר שהוצג היה שימושי עבורך. בהצלחה!
