# Конвекция

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/konvekciya

Как нагретые жидкости и газы сами движутся вверх и переносят энергию. Чем конвекция отличается от теплопроводности, какой она бывает и где её видно: в радиаторе, печной трубе и ветре.

## Чему научишься

- Объяснить, почему при нагревании снизу жидкость или газ начинают циркулировать, и назвать роль силы Архимеда
- Отличить естественную конвекцию от вынужденной и теплопроводность от конвекции
- Объяснить по рисункам опыты с нагреваемой колбой, вертушкой над лампой и моделью тяги и привести примеры конвекции в быту и природе

## С чего начать

Включили радиатор — и тёплый воздух сам уходит к потолку, хотя никто его не дует. А в твёрдом бруске, нагретом с одного конца, никакого «потока тепла вместе с веществом» нет. Что заставляет тёплый воздух и воду двигаться сами — и почему у твёрдых тел так не получается?

## 1. Почему нагретое вещество едет вверх

*Механизм конвекции*

Жидкости и газы плохо проводят тепло: частицы там далеко друг от друга и почти не передают энергию соседям. Если бы тепло шло только так, вода в кастрюле прогревалась бы мучительно долго. Но она прогревается быстро — потому что включается другой способ: нагретое вещество **само переезжает** и везёт энергию с собой.

Представь пробку, которую держат под водой у дна. Отпустишь — она всплывёт: она легче воды вокруг. Нагретый слой воды у дна ведёт себя так же. Он нагрелся и расширился, стал менее плотным, чем холодная вода над ним. Теперь он «пробка»: его выталкивает вверх. А холодная и плотная вода сверху опускается вниз на его место.

**Конвекция**

Конвекция — перенос энергии потоками жидкости и газа.

*Рисунок: Колба с водой над пламенем, внутри воды нарисованы стрелки движения воды.*

Пошагово то, что показывают стрелки на рисунке:

1. Пламя греет слои воды **снизу**.
2. Нагретые слои расширяются, их плотность уменьшается.
3. Сила Архимеда становится больше силы тяжести — и нагретые слои поднимаются вверх.
4. Более холодные и плотные слои опускаются вниз.
5. Так образуется циркуляция: вода идёт по кругу и переносит тепло.

**Нагретый слой — пробка, всплывающая со дна**

Аналогия: нагретая вода у дна — как пробка, отпущенная под водой: она легче окружающей, и её выталкивает вверх, а холодная вода «тонет» на её место. Честная оговорка: пробка легче воды всегда, а нагретый слой — только пока он теплее соседей. Остынет — перестанет всплывать.

Как запомнить (правило самопроверки): греем снизу — поток идёт вверх, холодное опускается; тепло везёт само вещество.

*Рисунок: Кастрюля с водой над огнём: от дна вверх поднимается пробка, по краям стрелки вниз.*

**Проверь себя:** Колбу с водой нагревают сверху, а не снизу. Будет ли такая же циркуляция, как на рисунке? Подумай, где окажется нагретый лёгкий слой.
**Ответ:** Нет. Нагретый слой и так оказывается наверху: он легче, и ему некуда всплывать, поэтому циркуляции нет. Естественная конвекция возникает при нагревании снизу.

### Проверь себя

**Что такое конвекция согласно определению в учебнике?**
- Процесс выделения энергии при горении топлива в печах
- Перенос энергии потоками жидкости и газа — верно
- Передача энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым без переноса вещества
- Нагревание твердых тел при их соприкосновении
> Это определение описывает основной механизм конвекции, связанный с движением самих слоев вещества.

**Почему в твердых телах конвекция невозможна?**
- Их частицы могут только колебаться около положений равновесия — верно
- Сила Архимеда в твердых телах всегда равна нулю
- Твердые тела всегда обладают хорошей теплопроводностью
- Твердые тела обладают слишком высокой плотностью
> Поскольку частицы жестко зафиксированы в структуре, образование направленных потоков вещества невозможно.

**Как изменяется плотность слоя воды при его нагревании (при неизменной массе)?**
- Увеличивается
- Остается неизменной
- Уменьшается — верно
- Сначала увеличивается, а затем уменьшается
> При нагревании объем вещества увеличивается, а так как плотность $\rho = \frac{m}{V}$, увеличение объема ведет к уменьшению плотности.

**Какая сила заставляет нагретые слои жидкости или газа подниматься вверх?**
- Магнитная сила
- Сила Архимеда — верно
- Сила упругости
- Сила трения
> Выталкивающая сила становится больше силы тяжести для менее плотного (нагретого) слоя, заставляя его всплывать.

**В чем заключается основное различие между конвекцией и теплопроводностью?**
- Конвекция передает тепло быстрее только в твердых телах
- При теплопроводности температура тела не меняется
- Теплопроводность возможна только в газах
- При конвекции происходит перенос вещества — верно
> В отличие от теплопроводности, где энергия передается при столкновении частиц, конвекция переносит энергию вместе с массой вещества.

**Какое утверждение о плотности и объеме при конвекции верно?**
- При увеличении объема плотность растет
- Плотность зависит только от массы и не зависит от объема
- При увеличении объема плотность уменьшается — верно
- При расширении плотность и объем изменяются одинаково
> Это фундаментальное соотношение при постоянной массе, объясняющее плавучесть нагретых слоев.

**Почему вода в кастрюле на плите прогревается равномерно?**
- Из-за быстрого расширения стенок кастрюли
- Благодаря постоянной циркуляции слоев жидкости — верно
- Потому что сверху на воду давит атмосферное давление
- Потому что вода обладает отличной теплопроводностью
> Конвекционные потоки постоянно перемешивают воду, перенося тепло от дна ко всей массе.

**Что произойдет, если попытаться нагреть колбу с водой, прикладывая горелку к её верхней части?**
- Нижние слои останутся холодными очень долго — верно
- Вода мгновенно перемешается во всем объеме
- Плотность верхних слоев резко увеличится
- Вода замерзнет на дне из-за разности давлений
> Теплые слои останутся наверху из-за низкой плотности, а плохая теплопроводность воды не даст теплу быстро уйти вниз.

**При каком условии сила Архимеда, действующая на слой жидкости, становится больше силы тяжести?**
- При расширении слоя вследствие нагрева — верно
- При сжатии слоя под внешним давлением
- Если масса слоя резко увеличивается
- Только если жидкость является ртутью
> Расширение увеличивает объем, на который действует выталкивающая сила, при той же массе (весе) слоя.

**В каких средах может происходить конвекция?**
- Только в металлах
- Только в вакууме
- Только в жидкостях и газах — верно
- В жидкостях, газах и твердых телах
> Это среды, обладающие текучестью, что позволяет слоям вещества перемещаться относительно друг друга.

**Почему воздух в комнатах прогревается от радиаторов, если он обладает плохой теплопроводностью?**
- Энергия переносится движущимися потоками воздуха — верно
- Теплопроводность воздуха резко возрастает при нагреве
- Стены комнаты передают тепло воздуху быстрее, чем радиатор
- Радиаторы нагревают воздух только за счет излучения
> Низкая способность проводить тепло компенсируется эффективным перемешиванием масс (конвекцией).

**Как ведут себя частицы твердого тела, препятствуя конвекции?**
- Вовсе не совершают никаких движений
- Колеблются около положений равновесия — верно
- Скользят друг относительно друга без препятствий
- Двигаются хаотично с огромными скоростями
> Ограниченность движения частиц не позволяет им объединяться в потоки и перемещаться по всему объему.

**Какую роль играет сила тяжести в процессе естественной конвекции?**
- Удерживает вертушку над лампой
- Препятствует расширению тел при нагреве
- Заставляет более плотные слои опускаться вниз — верно
- Нагревает нижние слои жидкости за счет давления
> Именно гравитация создает условия, при которых тяжелые (холодные) слои вытесняют легкие (теплые) наверх.

## 2. Естественная и вынужденная конвекция, и чем конвекция не теплопроводность

*Два вида потока и сравнение с соседней темой*

Всё зависит от того, кто гонит поток. Если жидкость или газ движутся **сами** из-за разницы плотностей — это естественная конвекция. Если поток создаёт человек или механизм — вынужденная.

**Естественная конвекция**

Естественная конвекция — конвекция, возникающая при нагревании снизу жидкостей или газов за счёт различия плотностей нагретых и холодных слоёв.

**Вынужденная конвекция**

Вынужденная конвекция — конвекция, возникающая при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов с помощью насосов, мешалок и т. п.

**Пробка всплывает сама, чай размешиваем ложкой**

Аналогия: естественная конвекция — как пробка, которая всплывает сама. Вынужденная — как чай, который ты размешиваешь ложкой: вещество движется потому, что его заставили. Оговорка: ложка не создаёт тепло, а только ускоряет перемешивание тёплых и холодных частей.

Как запомнить (правило самопроверки): «Сама — потому что греем снизу; силой — насос или мешалка». Слово «вынужденная» — вынудили, значит, есть насос или мешалка.

Теперь главное отличие от теплопроводности. При теплопроводности вещество остаётся на месте, а энергия передаётся от частицы к частице. При конвекции происходит **перенос вещества**: сами нагретые слои уезжают и везут тепло. Поэтому в твёрдых телах конвекции не бывает: их частицы могут только колебаться около положений равновесия, потока вещества образоваться не может.

**Теплопроводность и конвекция**

| Признак | Теплопроводность | Конвекция |
| --- | --- | --- |
| Переносится ли вещество | Нет, частицы остаются на месте | Да, вещество движется потоком |
| Жидкости и газы | Теплопроводность плохая | Основной способ передачи тепла |
| Твёрдые тела | Возможна | Невозможна: частицы только колеблются |
| Что нужно для потока | Не нужен поток | Нагрев снизу или насос, мешалка |

**Неправильно:** Конвекция идёт и в твёрдом теле: тепло перетекает от горячего конца к холодному.
**Правильно:** В твёрдом теле частицы только колеблются около положений равновесия, потока вещества нет — конвекции нет. Передача тепла в нём — не конвекция, потому что вещество не переносится.

### Проверь себя

**Что называют вынужденной конвекцией?**
- Движение воздуха, вызванное только нагреванием снизу
- Быстрое остывание воды на поверхности
- Перемешивание слоев с помощью насосов или мешалок — верно
- Подъем нагретых газов через дымоход
> Это процесс, при котором движение вещества вызвано внешним механическим воздействием, а не разностью плотностей.

**Какое условие необходимо для возникновения естественной конвекции в жидкости?**
- Жидкость должна постоянно перемешиваться насосом
- Нагревание должно происходить сверху
- Жидкость должна находиться в вакууме
- Нагревание должно происходить снизу — верно
> Только при нагреве снизу менее плотные слои могут подниматься вверх, вытесняя более холодные.

**Как называется конвекция, возникающая за счет разности плотностей нагретых и холодных слоев?**
- Принудительная
- Молекулярная
- Естественная — верно
- Твердотельная
> Такая конвекция происходит самопроизвольно под действием гравитации и теплового расширения.

**Какой пример относится к вынужденной конвекции?**
- Охлаждение двигателя автомобиля насосом, качающим антифриз — верно
- Движение теплого воздуха от батареи к потолку
- Нагревание металлической ложки в чае
- Подъем дыма из костра
> Движение жидкости здесь создается искусственно (насосом), что соответствует определению.

## 3. Опыты и жизнь: где мы видим конвекцию

*Наблюдаем и объясняем*

Объяснять опыт по схеме: **что нагревают → куда направлены стрелки → почему → вывод**. Разберём опыты по рисункам из учебника.

*Рисунок: Катушка над электрической лампой, синие стрелки вверх, красная стрелка вращения.*

**Пример: Опыт: вертушка над электрической лампой**

1. Что видно: над электрической лампой расположена катушка-вертушка; синие стрелки направлены вверх, красная стрелка показывает вращение.
2. Почему: воздух возле лампы нагревается, расширяется, его плотность уменьшается — нагретые слои идут вверх.
3. Что делает поток: поднимающийся воздух давит на вертушку и раскручивает её.
4. Вывод: вертушка вращается потому, что воздух движется — значит, при конвекции переносится вещество, а не только энергия.

**Пример: Опыт: модель для демонстрации тяги**

1. Что видно: нагреваемый сосуд с вертикальной трубой, из которой выходит пар; рядом миска с тёмными кусочками.
2. Что происходит: нагретый воздух и пар в трубе идут вверх по вертикальной трубе.
3. Вывод: так устроена тяга в печах и трубах — нагретые газы поднимаются вверх, и поток сам идёт по трубе.

*Рисунок: Сосуд с вертикальной трубой, из которой выходит пар, рядом миска с тёмными кусочками.*

*Рисунок: Комната с радиатором, стрелки показывают циркуляцию воздуха вверх, вдоль потолка, вниз и вдоль пола.*

На рисунке комнаты видно полную картину: воздух у радиатора нагревается и идёт вверх, у потолка отходит в сторону, остывает, опускается и возвращается вдоль пола. Это замкнутая циркуляция, как у воды в колбе. Так же работает обогрев комнат радиаторами водяного отопления. Ветры (бризы) — тоже конвекция: нагретые массы воздуха поднимаются, на их место приходят более холодные.

**Проверь себя:** Как по виду стрелок на рисунке комнаты понять, где воздух теплее: у потолка или у пола?
**Ответ:** У потолка. Нагретый воздух менее плотный и поднимается вверх, а холодный и плотный опускается к полу.

### Проверь себя

**Почему радиаторы отопления в комнатах обычно устанавливают под окнами?**
- Чтобы радиатор не занимал место в центре комнаты
- Чтобы нагретый воздух сразу выходил на улицу
- Для обеспечения лучшей циркуляции воздуха во всем объеме комнаты — верно
- Потому что у окон самая высокая теплопроводность стен
> Воздух от радиатора поднимается вверх, а холодный воздух от окна опускается к нему, создавая постоянный поток.

**Для чего в печах и каминах создается тяга?**
- Чтобы замедлить процесс остывания печи
- Для предотвращения расширения стенок трубы
- Чтобы искры не попадали в комнату
- Для обеспечения притока воздуха, необходимого для горения — верно
> Тяга за счет конвекции выводит продукты сгорания и втягивает свежий кислород в зону пламени.

**Что произойдет с бумажной вертушкой, если её поместить над зажженной лампой?**
- Она притянется к лампе под действием электрических сил
- Она начнет вращаться под действием потока теплого воздуха — верно
- Она начнет вращаться из-за светового давления
- Она останется неподвижной, так как воздух — плохой проводник
> Нагретый лампой воздух становится легче и поднимается вверх, толкая лопасти вертушки.

**В опыте с колбой (рис. 18, а) для чего в воду опускают красящее вещество?**
- Чтобы изменить плотность воды в центре колбы
- Чтобы ускорить процесс нагревания воды
- Чтобы вода в колбе не закипела слишком быстро
- Чтобы сделать видимыми потоки нагретой жидкости — верно
> Краситель позволяет наглядно проследить траекторию движения слоев воды при конвекции.

**Где в комнате, обогреваемой радиатором, воздух будет самым холодным?**
- Непосредственно над радиатором
- В центре комнаты на любой высоте
- У пола — верно
- У потолка
> Более плотный холодный воздух опускается вниз, замещая поднявшиеся теплые слои.

**Что происходит со слоями воды у стенок колбы при нагревании её дна посередине?**
- Они движутся горизонтально к центру
- Они превращаются в пар
- Они остаются неподвижными
- Они опускаются вниз — верно
> Более холодная и плотная вода у стенок вытесняется вверх поднимающимся горячим потоком и уходит вниз.

**Какой процесс обеспечивает 'равномерное прогревание' всей воды в колбе?**
- Испарение
- Диффузия
- Кристаллизация
- Циркуляция — верно
> Постоянное круговое движение слоев (вверх-вниз) приводит к выравниванию температуры во всей массе.

**Что является примером использования конвекции в технике?**
- Использование серебряных ложек в медицине
- Утепление стен стекловатой
- Ковка металла молотом
- Вытяжная труба над промышленной печью — верно
> Труба использует естественную конвекцию (тягу) для удаления горячих газов.

**Что произойдет с тягой в печи, если воздух в трубе остынет до температуры наружного воздуха?**
- Тяга станет направленной вниз
- Начнется вынужденная конвекция
- Тяга прекратится — верно
- Тяга усилится
> Без разности температур не будет разности плотностей, а значит, и силы, заставляющей газ двигаться вверх.

## Ключевые термины

- **Конвекция** — Перенос энергии потоками жидкости и газа.
- **Вынужденная конвекция** — Конвекция, возникающая при принудительном перемешивании неравномерно нагретых жидкостей или газов с помощью насосов, мешалок и т. п.
- **Естественная конвекция** — Конвекция, возникающая при нагревании снизу жидкостей или газов за счёт различия плотностей нагретых и холодных слоёв.

## Итог

- Жидкости и газы плохо проводят тепло, поэтому тепло в них передаётся конвекцией.
- Нагретый снизу слой расширяется, становится менее плотным, поднимается; холодный опускается — получается циркуляция.
- При конвекции переносится вещество, в твёрдых телах она невозможна.
- Конвекция бывает естественной (нагрев снизу) и вынужденной (насосы, мешалки).
- Примеры: радиаторы водяного отопления, тяга в печах и трубах, бризы.

## Шпаргалка

### Определения конвекции

- **Конвекция** — перенос энергии потоками жидкости и газа
- **Естественная** — нагрев снизу, разница плотностей слоёв
- **Вынужденная** — принудительное перемешивание насосом, мешалкой
- **Твёрдые тела** — конвекции нет, частицы только колеблются

### Как объяснить опыт

1. **Что греют** — найти источник нагрева и где он расположен
2. **Плотность** — нагретый слой расширяется, плотность уменьшается
3. **Сила** — сила Архимеда больше силы тяжести, слой поднимается
4. **Циркуляция** — холодные плотные слои опускаются, поток замыкается

### Теплопроводность и конвекция

|  | Теплопроводность | Конвекция |
| --- | --- | --- |
| Вещество переносится | нет | да |
| Твёрдые тела | возможна | невозможна |
| Жидкости и газы | плохая | основной способ |

## Любопытное

- Тяга в печах и трубах — это тоже конвекция: нагретые газы сами поднимаются вверх.
- Бризы возникают из-за конвекции: нагретый воздух поднимается, а на его место приходит более холодный.