Konveksiyon akımları, malzeme içinde sıcaklık veya yoğunluk farkı olduğu için hareket eden akan sıvıdır. Bir katı içindeki parçacıklar yerinde sabitlendiğinden, konveksiyon akımları yalnızca gazlarda ve sıvılarda görülür. Bir sıcaklık farkı, daha yüksek enerjili bir alandan daha düşük enerjili bir alandan bir enerji transferine yol açmaktadır.
Konveksiyon bir ısı transfer işlemidir. Akıntılar üretildiğinde, madde bir yerden diğerine taşınır. Yani bu aynı zamanda bir kütle transfer sürecidir. Doğal olarak oluşan konveksiyona doğal konveksiyon veya serbest konveksiyon denir. Bir akışkan, bir fan veya bir pompa kullanılarak dolaşırsa buna zorlamalı konveksiyon denir. Konveksiyon akımlarının oluşturduğu hücreye konveksiyon hücresi veya Bénard hücresi denir.
Neden Konveksiyon Akımı Oluşur?
Sıcaklık farkı, parçacıkların hareket etmesine ve bir akım oluşturmasına neden olur. Gazlarda ve plazmada, bir sıcaklık farkı, atomların ve moleküllerin düşük basınçlı alanları doldurmak için hareket ettiği daha yüksek ve daha düşük yoğunluklu bölgelere de yol açmaktadır.
Kısacası, soğuk sıvılar batarken sıcak sıvılar yükselir. Bir enerji kaynağı olmadığı sürece (örneğin güneş ışığı, ısı), konveksiyon akımları yalnızca tek tip bir sıcaklığa ulaşılana kadar devam etmektedir. Bilim adamları, konveksiyonu kategorize etmek ve anlamak için bir sıvıya etki eden kuvvetleri analiz eder. Bu kuvvetler şunları içerebilir:
• Yerçekimi
• Yüzey gerilimi
• Konsantrasyon farklılıkları
• Elektromanyetik alanlar
• Titreşimler
• Moleküller arasında bağ oluşumu
Konveksiyon akımları, skaler taşıma denklemleri olan konveksiyon- difüzyon denklemleri kullanılarak modellenebilir ve tanımlanabilir.
Konveksiyon Akımları ve Enerji Ölçeği Örnekleri
• Bir tencerede kaynayan suda konveksiyon akımlarını gözlemleyebilir. Mevcut akışı izlemek için sadece birkaç bezelye tanesi veya kağıt parçası eklenmelidir. Tavanın altındaki ısı kaynağı suyu ısıtır, ona daha fazla enerji verir ve moleküllerin daha hızlı hareket etmesine neden olur. Sıcaklık değişimi aynı zamanda suyun yoğunluğunu da etkiler. Su yüzeye doğru yükseldikçe, bir kısmı buhar olarak kaçmaya yetecek enerjiye sahiptir. Buharlaşma, bazı molekülleri tekrar tavanın dibine doğru batırmaya yetecek kadar yüzeyi soğutur.
• Konveksiyon akımlarının basit bir örneği, bir evin tavanına veya tavan arasına doğru yükselen sıcak havadır. Sıcak hava, soğuk havadan daha az yoğun olduğundan yükselir.
• Rüzgar, konveksiyon akımına bir örnektir. Güneş ışığı veya yansıyan ışık, havanın hareket etmesine neden olan bir sıcaklık farkı oluşturarak ısı yayar. Gölgeli veya nemli alanlar daha serindir veya ısıyı emerek etkiye katkıda bulunur. Konveksiyon akımları, Dünya atmosferinin küresel dolaşımını yönlendiren şeyin bir parçasıdır.
• Yanma, konveksiyon akımları oluşturur. Bunun istisnası, sıfır yerçekimi ortamında yanmanın kaldırma gücünden yoksun olmasıdır, bu nedenle sıcak gazlar doğal olarak yükselmez ve alevi beslemek için taze oksijen sağlar. Sıfır-g’de bulunan minimum konveksiyon, birçok alevin kendi yanma ürünlerinin kendi kendilerini boğmalarına sebep olur.
• Atmosferik ve okyanus sirkülasyonu, sırasıyla hava ve suyun (hidrosfer) büyük ölçekli hareketidir. İki süreç birbiriyle bağlantılı olarak çalışır. Havadaki ve denizdeki konveksiyon akımları hava durumuna neden olur.
• Dünya’nın tabanındaki magma, konveksiyon akımlarında hareket eder. Sıcak çekirdek, üstündeki malzemeyi ısıtır ve soğuduğu kabuğa doğru yükselmesine neden olur. Isı, kaya üzerindeki yoğun basınçtan ve elementlerin doğal radyoaktif bozunumundan açığa çıkan enerjiden gelir. Magma yükselmeye devam edemez, bu nedenle yatay olarak hareket eder ve aşağıya doğru batar.
• Yığın etkisi veya baca etkisi, gazları bacalar veya borulardan geçiren konveksiyon akımlarını tanımlar. Bir binanın içindeki ve dışındaki havanın kaldırma kuvveti, sıcaklık ve nem farklılıklarından dolayı her zaman farklıdır. Bir binanın veya yığının yüksekliğini artırmak, etkinin büyüklüğünü artırır. Bu, soğutma kulelerinin dayandığı ilkedir.
• Konveksiyon akımları güneşte belirgindir. Güneşin fotosferinde görülen granüller, konveksiyon hücrelerinin tepesidir. Güneş ve diğer yıldızlar söz konusu olduğunda, sıvı, sıvı veya gazdan ziyade plazmadır.
Konveksiyon Akımları Nelerdir?
Konveksiyon akımları, su, hava veya erimiş kaya gibi bir akışkanın kütle hareketiyle ısıyı bir yerden diğerine aktarır. Konveksiyon akımlarının ısı transferi işlevi, dünyanın okyanus akıntılarını, atmosferik havayı ve jeolojiyi yönlendirir. Konveksiyon, birbirleriyle doğrudan temas halindeki maddeler arasında bir ısı transferi olan iletimden farklıdır. Konveksiyon akımları, ısıyı dağıtmak için hava, su ve diğer maddelerin sürekli döngüsel hareketine dayanır. Örneğin, ısıtılmış hava yükseldikçe, daha soğuk havayı yerine çeker, burada ısıtılabilir, yükselebilir ve daha soğuk hava çekilebilir.
Konveksiyon Nasıl Çalışır?
Konveksiyon akımları, ısıtılmış bir akışkan genişleyerek daha az yoğun hale geldiği için oluşur. Daha az yoğun ısıtılmış sıvı, ısı kaynağından uzağa yükselir. Yükseldikçe, daha soğuk sıvıyı değiştirmek için aşağı çeker. Bu sıvı sırayla ısıtılır, yükselir ve daha soğuk sıvıyı aşağı çeker. Bu döngü, yalnızca ısı sıvı boyunca eşit olarak dağıldığında duran dairesel bir akım oluşturur. Örneğin, sıcak bir radyatör çevresindeki havayı hemen ısıtır. Hava tavana doğru yükselir ve daha soğuk havayı tavandan ısıtılmak üzere radyatöre çeker. Bu süreçteki işlem, odada bulunan hava eşit biçimde ısınana kadar tekrarlanır.
Okyanus Konveksiyonu
Konveksiyon, Gulf Stream akıntısını ve dünya okyanuslarındaki suları çevirip karıştıran diğer akıntıları yönlendirir. Soğuk kutup suyu, daha yüksek enlemlerden aşağı çekilir ve okyanusun dibine batar, okyanus yüzeyine daha hafif, daha sıcak su yükseldikçe ekvatora doğru çekilir. Daha sıcak su, güneye çekilen soğuk suyun yerini almak için kuzeye doğru çekilir. Bu işlem, ısıyı ve çözünür besinleri dünya çapında dağıtır.
Havada Konveksiyon
Konveksiyon, dünya atmosferindeki hava dolaşımını yönlendirir. Güneş, dünyanın ekvatorunun yakınındaki havayı ısıtır, bu hava yoğunluğu azalır ve yukarı doğru yükselir. Yükseldikçe soğur ve etrafındaki havadan daha az yoğunlaşır, yayılır ve tekrar ekvatora doğru alçalır. Hadley Hücreleri olarak bilinen bu sürekli hareket eden sıcak ve soğuk hava hücreleri, dünya yüzeyinde rüzgar dediğimiz sürekli hava dolaşımını sağlar. Atmosferik konveksiyon akımları da bulutları havada tutan şeydir.
Dünyada Konveksiyon
Jeologlar, yeryüzünün derinliklerindeki erimiş kayanın konveksiyon akımlarıyla dolaştığına inanıyor. Kaya yarı sıvı haldedir ve diğer herhangi bir sıvı gibi davranmalı, daha sıcak hale geldikten sonra mantonun dibinden yükselmeli ve dünyanın çekirdeğinin ısısından daha az yoğun olmalıdır. Kaya yer kabuğuna ısı kaybettikçe, nispeten daha soğuk ve daha yoğun hale gelir ve çekirdeğe geri batar. Daha sıcak ve daha soğuk erimiş kayaların sürekli dolaşan bu hücrelerinin, yüzeyi ısıtmaya yardımcı olduğu düşünülmektedir. Bazı jeologlar, yeryüzündeki konveksiyon akımlarının volkanların, depremlerin ve kıtaların sürüklenmesinin katkıda bulunan bir nedeni olduğuna inanmaktadırlar.
Kaynakça:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html
http://www.esrl.noaa.gov/gmd/outreach/lesson_plans/Convection%20Currents.pdf
https://www.thoughtco.com/convection-currents-definition-and-examples-4107540
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu