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對流是指流體內部的分子運動,是熱傳與質傳的主要模式之一。熱對流(亦稱為對流傳熱)是三種主要熱傳方式中的其中一種(另外兩種分別是熱傳導與熱輻射),通常發生在流體內或流體和容器之間有溫度差時,因為溫度的差異會使得流體之間密度不同。

1 對流 -簡介

(圖)對流對流
對流是指藉由流體的流動而產生的熱傳導。通常發生在流體內或流體和容器之間有溫度差時,因為溫度的差異會使得流體之間密度不同。

另外,不同的鹽分密度或者是外力的施與也都是密度不均的起因,也就是都會引起對流。

對流是三種主要熱傳導方式中的其中一種,另外兩種分別是直接傳導與熱幅射。在大氣中,海洋內,以及行星的地函里,都有對流在發生。

2 對流 -定義

液相或氣相中各部分的相對運動。因濃差或溫差引起密度變化而產生的對流稱自然對流;由於外力推動(如攪拌)而產生的對流稱強制對流。對於電解液來說,溶質將隨液相的對流而移動,是電化學中物質傳遞過程的一種類型。

流體(氣體或液體)通過自身各部分的宏觀流動實現熱量傳遞的過程。因流體的熱導率很小,通過熱傳導傳遞的熱量很少,對流是流體的主要傳熱方式。對流可分為自然對流和強迫對流。流體內的溫度梯度會引起密度梯度,若低密度流體在下 ,高密度流體在上, 則將在重力作用下自然對流。冬天室內取暖就是藉助於室內空氣的自然對流來傳熱的,大氣及海洋中也 存在自然對流 。 靠外來作用使流體循環流動,從而傳熱的是強迫對流。

3 對流 -大氣對流

(圖)對流對流

大氣中的一團空氣在熱力或動力作用下的垂直上升運動。通過大氣對流一方面可以產生大氣低層與高層之間的熱量、動量和水汽的交換,另一方面對流引起的水汽凝結可能產生降水。熱力作用下的大氣對流主要是指在層結不穩定的大氣中,一團空氣的密度小於環境空氣的密度,因而它所受的浮力大於重力,則在凈的阿基米德浮力作用下形成的上升運動。在夏季經常見到的小範圍的、短時的、突發性的和由積雨雲形成的降水,常是熱力作用下的大氣對流所致。動力作用下大氣對流主要是指在氣流水平輻合或存在地形的條件下所形成的上升運動。在大氣中大範圍的降水常是鋒面及相伴的氣流水平輻合抬升作用形成的,而在山脈附近的固定區域產生的降水常是地形強迫抬升所致。一些特殊的地形(如喇叭口狀的地形)所形成的大氣對流既有地形抬升的作用,也有地形使氣流水平輻合的作用。

一方面熱力和動力作用可以形成大氣對流,另一方面大氣對流又可以影響大氣的熱力和動力結構,這就是大氣對流的反饋作用。在大氣所處的熱帶地區,這種反饋作用尤為重要,大氣對流形成的水汽凝結加熱常是該地區大範圍大氣運動的重要能源。

4 對流 -對流層

(圖)對流對流層

位於大氣的最低層,集中了約75%的大氣質量和90%以上的水氣質量。其下界與地面相接,上界高度隨地理緯度和季節而變化。在低緯度地區平均高度為17~18千米,在中緯度地區平均為10~12千米,極地平均為8~9千米;夏季高於冬季。

對流層中,氣溫隨高度升高而降低,平均每上升100米,氣溫約降低0.65℃。由於受地表影響較大,氣象要素(氣溫、濕度等)的水平分佈不均勻。空氣有規則的垂直運動和無規則的亂流混合都相當強烈。上下層水氣、塵埃、熱量發生交換混合。由於90%以上的水氣集中在對流層中,所以雲、霧、雨、雪等眾多天氣現象都發生在對流層。

對流層中從地面到 1~2 千米的一層受地面起伏、乾濕、冷暖的影響很大,稱為摩擦層(或大氣邊界層)。摩擦層以上受地面狀況影響較小,稱為自由大氣。對流層與其上的平流層之間存在一過渡層,稱為對流層頂,厚度約幾百米到2千米 。 對流層頂附近氣溫隨高度升高變 化的幅度發生突變,或隨高度增加溫度降低幅度變小,或隨高度增加溫度保持不變,或隨高度增加溫度略有增高。對垂直運動有很強的阻擋作用。

5 對流 -地幔對流說

(圖)對流對流

一種說明地球內部物質運動和解釋地殼或岩石圈運動機制的假說。它認為在地幔中存在物質的對流環流。在地幔的加熱中心,物質變輕,緩慢上升形成上升流,到軟流圈頂轉為反向的平流,平流一定距離后與另一相向平流相遇而成為下降流,繼而又在深處相背平流到上升流的底部,補充上升流,從而形成一個環形對流體。對流體的上部平流馱著的岩石圈板塊作大規模的緩慢的水平運動。在上升流處形成洋中脊,下降流處造成板塊間的俯衝和大陸碰撞。

1928 年英國地質學家 A.霍姆斯認為上升流處地殼裂開,形成新的大洋底,對流的下降流處地殼擠壓形成山脈。1939年D.T.格里格斯提出,由於岩石熱傳導不良,放射熱的聚集導致對流。60年代後期板塊構造學建立以後,地幔對流運動被普遍認為是板塊運動的驅動力。

地球岩石圈下的軟流圈有10%的融熔體。岩石圈以下的固體地幔因高溫高壓而表現為像粘滯液體一樣的韌性,並能產生流動。地幔中因放射性同位素蛻變產生熱而加溫,密度變小,於是輕物質向上、重物質向下運動,以便達到最低位能的穩定狀態,這就是地幔對流,速度非常慢,其上升流可持續幾千萬年到幾億年。

地震波速的各向異性的發現,以及由此提出的地幔對流引起晶體定向排列的假說,有力地支持了地幔對流說。J.摩根在20世紀70年代提出了一種單軸羽狀地幔對流模式。對流體以每年幾厘米的速度從地幔底部升起,形成以上升流為軸心,下降流在外的圓筒狀對流體。上升流所對著的地殼區域就是熱點。

6 對流 -熱對流

(圖)對流熱對流

熱對流是指熱量通過流動介質,由空間的一處傳播到另一處的現象。火場中通風孔洞面積愈大,熱對流的速度愈快;通風孔洞所處位置愈高,熱對流速度愈快。熱對流是熱傳播的重要方式,是影響初期火災發展的最主要因素。影響熱傳導的主要因素是:溫差、導熱係數和導熱物體的厚度和截面積。導熱係數愈大、厚度愈小、傳導的熱量愈多。

(1)定義或解釋物質(系統)內的熱量轉移的過程叫做熱傳遞。
(2)說明熱傳遞是通過熱傳導、對流和熱輻射三種方式來實現。在實際的傳熱過程中,這三種方式往往是伴隨著進行的。

①熱傳導:熱量從系統的一部分傳到另一部分或由一個系統傳到另一系統的現象叫做熱傳導。熱傳導是固體中熱傳遞的主要方式。在氣體或液體中,熱傳導過程往往和對流同時發生。各種物質的熱傳導性能不同,一般金屬都是熱的良導體,玻璃、木材、棉毛製品、羽毛、毛皮以及液體和氣體都是熱的不良導體,石棉的熱傳導性能極差,常作為絕熱材料。

②對流:液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環流動使溫度趨於均勻的過程。對流是液體和氣體中熱傳遞的特有方式,氣體的對流現象比液體明顯。對流可分自然對流和強迫對流兩種。自然對流往往自然發生,是由於溫度不均勻而引起的。強迫對流是由於外界的影響對流體攪拌而形成的。 加大液體或氣體的流動速度,能加快對流傳熱。

③熱輻射:物體因自身的溫度而具有向外發射能量的本領,這種熱傳遞的方式叫做熱輻射。熱輻射雖然也是熱傳遞的一種方式,但它和熱傳導、對流不同。它能不依靠媒質把熱量直接從一個系統傳給另一系統。熱輻射以電磁輻射的形式發出能量,溫度越高,輻射越強。輻射的波長分佈情況也隨溫度而變,如溫度較低時,主要以不可見的紅外光進行輻射,在500℃以至更高的溫度時,則順次發射可見光以至紫外輻射。熱輻射是遠距離傳熱的主要方式,如太陽的熱量就是以熱輻射的形式,經過宇宙空間再傳給地球的。

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