Varmaflutningur

Trausti Jónsson 4.7.2007

Grundvallarflutningshættir varma(-orku) eru þrír: Leiðni, streymi og geislun. Við heitan ofn má finna dæmi um alla þrjá hættina (mynd 1). Hönd við ofninn á þó ekki endilega auðvelt með að greina hvaða flutningsferli það er sem hitar hana. Sé hún lögð á ofninn er næsta víst að varminn frá frá ofninum berist henni með varmaleiðni.

Mynd 1. Varmi berst sem geislun, leiðni og streymi. Geislunin finnst best sé kúptum lófa haldið til hliðar við heitasta (efri hluta) ofnsins. Leiðnin finnst best með því að snerta ofninn, en streymið má helst finna ofan við hann, en varla nema hann sé mjög heitur.

Ystu sameindir ofnsins snerta þá ystu sameindir húðarinnar og valda því að hinar síðarnefndu fara að hreyfast örar en áður og við finnum húðina hitna. Hitinn berst síðan einnig með leiðni innar og innar í höndina og veldur væntanlega því að æðar hennar tútna lítillega og blóðstreymi um þær eykst. Varminn berst blóðinu með leiðni en upphitað blóðið streymir því næst annað.

Varmi berst þannig til innri hluta handarinnar bæði með leiðni og streymi. Munurinn á þessum tveimur grundvallarflutningsháttum felst í því að í streymi flytjast sameindirnar sjálfar til en við leiðni berst varminn frá einni til annarrar við snertingu þeirra.

Þó að höndin liggi ekki alveg að ofninum getur varmi samt borist henni frá honum. Sé hann nógu heitur finnum við varmageisla hans greinilega í nokkurri fjarlægð. Allir þekkja sams konar varmageislun frá eldi, við finnum hitann frá eldinum langt frá honum þó loftið í kringum okkur sé ekkert heitt.

Varmageislar eru rafsegulöldur (eins og ljós og útvarpsbylgjur) og stafar þeim frá öllum hlutum, háð hita. Sé höndin nægilega nærri ofninum finnum við heitt uppstreymi með hliðum hans og fyrir ofan hann. En geislunin er líka umtalsverð í sömu fjarlægð og því er ekki gott að greina þessi tvö ferli að með tilfinningu einni saman. Varmageislun berst, rétt eins og ljós, auðveldlega í gegnum lofttæmi, en hvorki streymir né leiðir um það.

Veður og varmaflutningshættir

Þau ferli sem við höfum litið á hér að ofan eru öll mjög mikilvæg í veðurfræði, bæði í stóru og smáu. Varmi berst með stuttbylgjugeislum frá sólu, jörðin skilar varma með varmageislun. Í veðurfræði er streymi ætíð skipt í tvo þætti, annars vegar lóðrétt (uppstreymi og niðurstreymi) og hins vegar lárétt (aðstreymi).

Loft sem er hlýrra en loftið umhverfis leitar að jafnaði upp. Það fer hins vegar eftir skilyrðum hverju sinni hvernig þetta uppstreymi gengur og til hvers það leiðir. Nefnd hafa verið dæmi um tvenns konar lyftingu á hlýju lofti. Annars vegar er hitun yfirborðs að neðan (ofninn), en hins vegar fleygast kalt loft undir hlýtt (dyr opnaðar - sjá pistilinn Hvernig myndast vindur?) og þvingar það upp.

Í fyrra tilvikinu leysist orkan hægt og bítandi úr læðingi með jöfnu hitauppstreymi yfir ofninum, en í hinu hefur verið búinn til eins konar staðorkugeymir í húsinu, sem knýr trekkinn þegar útidyr eru opnaðar.

Mynd 2. Á myndinni lengst til vinstri hefur köldu (blátt) og hlýju (rautt) lofti verið komið fyrir í keri með skilrúmi. Þegar skilrúmið er tekið frá skýst kalda loftið undir það hlýja - hreyfing verður til og staðorka losnar. Skil kalda og hlýja loftsins vagga síðan til fram og til baka þar til kvika hefur étið upp alla hreyfinguna og breytt henni í varmaorku.

Lítum á mynd 2. Hún sýnir ílát sem skipt er í tvennt af vegg. Öðru megin veggjarins er kalt loft (köld loftsúla), hinu megin hlýrra (hlý loftsúla). Ef veggnum er skyndilega kippt í burt leggst kalda loftið á botninn, en hlýrra loftið lyftist upp. Við þetta færist sameiginlegur þyngdarpunktur loftsúlnanna niður, staðorka losnar.

Veltieiningar

Loft sem leitar upp vegna þess að það er léttara en loftið umhverfis er sagt vera í „frjálsu“ uppstreymi (eins og yfir ofninum í dæmisögunni að ofan), en séu ástæðurnar aðrar er uppstreymið kallað þvingað (eins og þegar það er sogað upp í lofttúðu baðherbergisins í sýnidæminu).

Mynd 3. Eigi uppstreymi sér stað verður einhvers staðar að vera niðurstreymi. Aðstreymi tengist uppstreymi. Upp- og niðurstreymið gerist oft í hálfreglulegu mynstri eða neti upp- og niðurstreymiseininga eins og myndin gefur til kynna. Frjálst uppstreymi leiðir til blöndunar lofts í efri og neðri loftlögum og lagskipting eyðist. Þá má tala um hræru, veltu eða velling. Skýjamyndun fylgir gjarnan uppstreymi þannig að það er oft sýnilegt. Niðurstreymið er hins vegar óljósara, leysir upp ský og á sér í reynd oft stað á hægan hátt á mjög víðáttumiklum svæðum.

Þegar loft leitar upp verður annað loft að berast niður í staðinn. Í frjálsu uppstreymi verða þá oftast til upp- og niðurstreymiseiningar, jafnvel nokkuð reglulega reitaskiptar. Frjálst uppstreymi köllum við stundum vellu, velting eða hræringu og tölum um veltieiningar (e. convection cells).

Úr veðurbók Trausta Jónssonar