Belangrijkste verschil - Convectie versus straling

Convectie en straling zijn beide mechanismen van warmteoverdracht. Ze zorgen ervoor dat thermische energie van de ene plaats naar de andere kan worden getransporteerd. De grootste verschil tussen convectie en straling is dat: convectie is een mechanisme van warmteoverdracht waarbij een massastroom van materiaal betrokken is. Straling daarentegen is een overdracht van warmte met behulp van elektromagnetische energie. Bijgevolg kan straling warmte overdragen via een vacuüm.

Wat is convectie?

Convectie is het mechanisme van warmteoverdracht in materialen door massastroom van het materiaal. Om warmte te geleiden, bewegen delen van het materiaal zelf - d.w.z. er is een overdracht van massa binnen het materiaal. Meestal vindt convectie plaats in vloeistoffen. Echter, effecten van convectie kunnen soms worden gezien in vaste stoffen, zoals in het geval van platentektoniek. Er zijn twee hoofdtypen convectie: natuurlijk en gedwongen.

Convectie is een complex proces en er is geen eenvoudige vergelijking die het volledig beschrijft. We kunnen echter een benadering gebruiken voor gevallen waarin een vloeistof wordt verwarmd met behulp van een vast oppervlak. Voor deze gevallen is de warmteoverdrachtssnelheid

is gegeven door,

waar

is het oppervlak waardoor warmte wordt overgedragen,

is de temperatuur van de vaste stof,

is de temperatuur van lucht.

staat bekend als de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt. Deze coëfficiënt is afhankelijk van een aantal eigenschappen, waaronder de dichtheid, viscositeit en de stroomsnelheid van de vloeistof.

Natuurlijke convectie

In Natuurlijke convectie, stroom van materialen wordt veroorzaakt door verschillen in dichtheid. Laten we bijvoorbeeld een ketel water beschouwen die op een fornuis wordt opgewarmd. Als het water op de bodem van de waterkoker opwarmt, zet het uit. Dit betekent dat de watermoleculen nu verder uit elkaar staan, waardoor de dichtheid van water op de bodem afneemt. Nu is het water aan de onderkant van de ketel minder dicht in vergelijking met het water aan de bovenkant van de ketel. Door het dichtheidsverschil stijgt het warmere water van onder naar boven terwijl het koudere water van boven naar beneden zakt. Het proces herhaalt zich totdat de boven- en onderkant beide op dezelfde temperatuur zijn.

De opstijgende hete vloeistof kan niet langs dezelfde lijn stijgen als waar de koude vloeistof zinkt. Daarom moet de vloeistof horizontaal bewegen voordat hij stijgt / daalt voor de volgende cyclus. Dit stelt in convectiecellen in de vloeistof, zoals weergegeven in het onderstaande diagram.

Convectiecellen

Natuurlijke convectie is verantwoordelijk voor luchtstromingen en het is ook een van de belangrijkste factoren die betrokken zijn bij oceaanstromingen.

Convectie is ook een belangrijke factor in de platentektoniek. De binnenste delen van de aardmantel zijn heter dan de buitenste, en dit veroorzaakt convectiecellen in de mantel. De mantel is solide en de beweging van materiaal in de mantel is vrij traag, ongeveer 20 mm per jaar.

Convectie in de aardmantel

Geforceerde convectie

Geforceerde convectie treedt op wanneer de beweging van materiaal wordt verplaatst met behulp van een extern mechanisme, zoals het gebruik van een ventilator of een pomp. Luchtverhitters zijn een goed voorbeeld van geforceerde convectie. In het menselijk lichaam fungeert het hart ook als een pomp die verantwoordelijk is voor geforceerde convectie van warmte rond het lichaam.

Wat is straling?

straling beschrijft de overdracht van warmte via elektromagnetische straling. Vanwege kinetische energie zijn moleculen waaruit objecten bestaan ​​altijd in beweging. Hierdoor gaan ladingen in die moleculen bewegen, wat resulteert in het ontstaan ​​van elektromagnetische golven.

De snelheid waarmee een object warmte afgeeft door straling wordt gegeven door de Stefan-Boltzmann wet:

waar

is de oppervlakte van het object en

is de absolute temperatuur.

is de Stefan-Boltzmann-constante,

.

De hoeveelheid

wordt genoemd emissiviteit. Het heeft een waarde tussen 0 en 1.

is hoger voor donkere objecten met donkere oppervlakken, die straling goed uitzenden en absorberen. Glanzende oppervlakken absorberen en zenden veel minder straling uit en ze hebben emissiviteiten die dichter bij 0 liggen. Een ideaal oppervlak dat zowel een perfecte absorber als een emitter van straling is, heeft een emissiviteit van 1 en wordt een zwart lichaam.

Omdat het object straling uitstraalt naar de omgeving, absorbeert het ook straling uit de omgeving. Als de omgeving een temperatuur heeft van

, de nettosnelheid waarmee een lichaam warmte uitstraalt wordt gegeven door

Indien

er is een netto warmtestraling van het lichaam naar de omgeving.

Objecten zenden bepaalde golflengten meer straling uit dan andere. Typisch, hoe heter het lichaam, hoe lager de golflengte die het meest wordt uitgezonden. Zo zouden hetere sterren een blauwere kleur (kleinere golflengte) moeten hebben in vergelijking met koudere, rodere (grotere golflengte). Voor een ideale blackbody bij een absolute temperatuur

, Wet van Wien geeft de golflengte

die het meest wordt uitgestoten:

Bij kamertemperatuur ligt de primaire golflengte die door lichamen wordt uitgestraald in het infraroodbereik. De onderstaande grafiek toont de energiedichtheid van een bepaalde golflengte die wordt uitgestraald door een zwart lichaam bij verschillende temperaturen.

Straling – Wet van Wien

Thermogrammen maken gebruik van warmtestraling die door het lichaam wordt uitgezonden om ziekten te screenen en infraroodcamera's worden gebruikt om in het donker te 'zien'. Straling van verre sterren wordt ook gebruikt om de afstand tussen de aarde en de sterren te meten.

Verschil tussen convectie en straling - Thermogram van een energiezuinig huis op de voorgrond, dat veel minder thermische energie uitstraalt in vergelijking met een traditioneel huis dat veel meer energie uitstraalt (achtergrond)

Wat is het verschil tussen convectie en straling?

Oorsprong

Convectie vindt plaats als gevolg van thermische uitzetting van materie.

straling is een resultaat van de beweging van ladingen in materialen als gevolg van kinetische energie van de moleculen.

Mechanisme

Convectie omvat een overdracht van massa van een materiaal, typisch een vloeistof.

straling omvat een elektromagnetische golf. Materie zelf beweegt niet.

Medium

Convectie een medium nodig.

straling heeft geen medium nodig en kan warmte overdragen via een vacuüm.

Temperatuurafhankelijkheid:

Convectie resulteert in een warmtestroom die ongeveer recht evenredig is met het temperatuurverschil.

straling resulteert in een warmtestroom die afhankelijk is van het verschil tussen de vierde machten van de temperatuur van het object en de omgeving.

Referenties

Liu et al., (2007). Kleinschalige convectie in de bovenmantel onder het Chinese Tian Shan-gebergte. Fysica van de aarde en planetaire interieurs (163), 179-190

Afbeelding met dank aan

"centrum: convectiecellen in een vat, boven: warmteafgifte, onder: warmte-invoer" door Eyrian (Eigen werk) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

“Laat zien hoe oceaanruggen worden gevormd, lithosfeer ondergedompeld in loopgraven; goed voor het begrijpen van platentektoniek.” door Surachit (eigen werk) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

"Wien's stralingswet / Prawo Wiena" door 4C (eigen werk, gebaseerd op JPG-versie) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

"Thermogram van een Passivhaus-gebouw, met traditioneel gebouw op de achtergrond." door Passivhaus Institut (Gekopieerd naar Commons van http://en.wikipedia.org. Originele bron Passivhaus Institut, Duitsland – http://www.passiv.de) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons