Đối lưu

Tranh vẽ phía trên đã hiển thị sự tính toán đối lưu nhiệt của địa mạn củavỏ Trái Đất.Màu sắc kề cận màu đỏ là khu vực nóng, màu sắc kề cận màu xanh lam là ở khu vực ấm và lạnh.

Đối lưu(tiếng Anh:Convection) chính là chỉ lưu động tương đối của nội bộchất lưubởi vìnhiệt độcủa các bộ phận không giống nhau cho nên hình thành, tức làchất lưu(chất khíhoặcchất lỏng) thực hiện quá trình chuyển giaonhiệt lượngthông qua tính lưu động vĩ mô của tự thân các bộ phận. Trongchất lỏnghoặcchất khí,bộ phận khá nóng lên cao, bộ phận khá lạnh xuống thấp, lưu động tuần hoàn, pha trộn lẫn nhau, cuối cùng khiến chonhiệt độthuận theo đồng đều. Dođộ dẫn nhiệtcủachất lưurất nhỏ, thông quatruyền dẫn nhiệtnhiệt lượng chuyển giao rất nhỏ nên đối lưu là phương thức truyền nhiệt chủ yếu củachất lưu.

Đối lưu được chia ra làm hai loại đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bách. Đối lưu tự nhiên thường thường phát sinh tự nhiên, là đối lưu bởi vì chênh lệchnồng độhoặc chênh lệchnhiệt độgây ra biến hoá mật độ mà sản sinh.Građiennhiệt độ của bên trong chất lưu sẽ đưa đếngrađienmật độ biến hoá. Nếu chất lưu mật độ thấp ở phần dưới, chất lưu mật độ cao ở phần trên, thì dướitác dụng trọng lựcsẽ hình thành đối lưu tự nhiên. Đối lưu cưỡng bách là đối lưu bởi vì sự thúc đẩy của ngoại lực mà sản sinh. Vận tốc lưu động củachất lỏnghoặcchất khícàng thêm lớn, có thể truyền nhiệt đối lưu càng thêm mau.

Định nghĩa

Một sơ đồ biểu thị đối lưu nhiệt của lò lửa.

Đối lưu là lưu động của các bộ phận bên trongtướnglỏng hoặctướngkhí. Đối lưu mà do chênh lệch nồng độ hoặc chênh lệch nhiệt độ đưa đến biến hoá mật độ nên sản sinh gọi là đối lưu tự nhiên; đối lưu mà bởi vì sự thúc đẩy của ngoại lực (giống như quấy trộn) cho nên sản sinh gọi là đối lưu cưỡng bách. Đối vớiđiện giải dịchmà nói, chất hoà lẫn sẽ di động thuận theotướnglỏng, là một thứ loại hình của quá trìnhchuyển giao vật chấttronghoá học điện.

Chất lưu(chất khíhoặcchất lỏng) thực hiện quá trình chuyển giaonhiệt lượngthông qua tính lưu động vĩ mô của tự thân các bộ phận. Dođộ dẫn nhiệtcủachất lưurất nhỏ, thông quatruyền dẫn nhiệtnhiệt lượng chuyển giao rất nhỏ nên đối lưu là phương thức truyền nhiệt chủ yếu củachất lưu.Đối lưu được chia ra làm hai loại đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bách.Građiennhiệt độ của bên trong chất lưu sẽ đưa đếngrađienmật độ biến hoá, nếu chất lưu mật độ thấp ở phần dưới, chất lưu mật độ cao ở phần trên, thì dướitác dụng trọng lựcsẽ hình thành đối lưu tự nhiên. Đối lưu cưỡng bách là đối lưu bởi vì sự thúc đẩy của ngoại lực mà sản sinh. Vận tốc lưu động củachất lỏnghoặcchất khícàng thêm lớn, có thể truyền nhiệt đối lưu càng thêm mau. Sưởi ấm bên trong gian phòng vào mùa đông chính là đối lưu tự nhiên cậy nhờ vào không khí bên trong gian phòng để truyền nhiệt, trongkhí quyểnvàbiển-đại dươngcũng tồn tại đối lưu tự nhiên. Dựa vào tác dụng đến từ bên ngoài khiến cho chất lưu lưu động tuần hoàn, từ đó truyền nhiệt chính là đối lưu cưỡng bách.

Ứng dụng đối lưu

Đối lưu khí quyển

Mô tả lí tưởng về hoàn lưu toàn cầu ở Trái Đất.

Đối lưu khí quyển là chuyển động lên cao thẳng đứng của một tổ chức không khí trongkhí quyểndưới tác dụng nhiệt lực hoặc động lực. Thông qua đối lưu khí quyển, một mặt có thể sản sinh sự trao đổi lẫn nhau của nhiệt lượng, động lượng và hơi nước ở giữa tầng thấp và tầng cao của khí quyển, một mặt khác việcngưng tụhơi nước do đối lưu gây ra có khả năng sản sinhgiáng thủy.Đối lưu khí quyển dưới tác dụng nhiệt lực chủ yếu là chỉ chuyển động lên cao mà ở trong khí quyển các tầng gắn kết không ổn định, mât độ của một tổ chức không khí ít hơn mật độ của không khí vùng chung quanh, do đó lực nổi cái mà nó nhận lấy lớn hơn trọng lực, dưới tác dụnglực nổi Ác-si-métthì hình thành nên.Giáng thủythường hay thấy đến vào mùa hạ có phạm vi nhỏ, thời gian ngắn, tính đột xuất và domây vũ tíchhình thành, phổ thông là cái mà đối lưu khí quyển dưới tác dụng nhiệt lực gây ra. Đối lưu khí quyển dưới tác dụng động lực chủ yếu là chỉ chuyển động lên cao mà do dưới điều kiện tụ họp nằm ngang của luồng hơi hoặc tồn tạiđịa hìnhhình thành.Giáng thủyphạm vi lớn trongkhí quyểnthường là domặt frôngvà theo cùng tác dụng nâng lên của tụ họp nằm ngang luồng hơi hình thành, giáng thủy mà ở khu vực cố định sát gần mạch núi thường là do sự nâng lên cưỡng bách của địa hình gây ra. Đối lưu khí quyển mà do một ít địa hình đặc thù (giống nhưđịa hìnhhình dạng miệng loa) hình thành đã có tác dụng nâng lên địa hình, còn có tác dụng của địa hình khiến cho luồng hơi tụ họp nằm ngang so với mặt nước.

Một mặt tác dụng nhiệt lực và động lực có thể hình thành đối lưu khí quyển, một mặt khác đối lưu khí quyển lại có thể ảnh hưởng kết cấu nhiệt lực và động lực của khí quyển, đây chính là tác dụngphản hồicủa đối lưu khí quyển. Vùng đấtnhiệt đớinơi khí quyển cư trú, loại tác dụngphản hồinày càng thêm trọng yếu, sự ngưng tụ và tăng thêm nhiệt của hơi nước mà do đối lưu khí quyển hình thành thường là nguồn năng lượng trọng yếu của chuyển động khí quyển phạm vi lớn ở vùng đất đó.

Tầng khí đối lưu

Phân tầng củatầng khí quyển Trái Đất.

Tầng khí đối lưu ở vào tầng thấp nhất củakhí quyển,đã tập trung khoảng chừng 75% của khối lượng khí quyển và 90% trở lên của khối lượng hơi nước. Ranh giới phần dưới của nó nối liền nhau với mặt đất,chiều caoranh giới phần trên thuận theovĩ độđịa lívàmùatiếtmà biến hoá.Chiều caotrung bình ở vùng đất vĩ độ thấp là 17 đến 18 kilômét,chiều caotrung bình ở vùng đất vĩ độ vừa là 10 đến 12 kilômét,chiều caotrung bình ở địa cực là 8 đến 9 kilômét. Mùa hạ cao hơn mùa đông.

Trong tầng đối lưu, nhiệt độ không khí thuận theo sự lên cao củachiều caomà thấp xuống, trung bình mỗi lần lên cao 100 mét, nhiệt độ không khí thấp xuống khoảng chừng 0,65 °C. Bởi vì bị ảnh hưởng của mặt ngoài Trái Đất khá lớn cho nên sự phân bố nằm ngang của yếu tố khí tượng (nhiệt độ không khí,độ ẩm,v.v) không đồng đều. Chuyển động thẳng đứng của không khí có quy tắc và hỗn hợp hỗn loạn vô quy tắc đều mãnh liệt tương đương. Hơi nước, bụi bặm và nhiệt lượng của tầng trên và dưới phát sinh hỗn hợp trao đổi lẫn nhau. Bởi vì 90% trở lên của hơi nước tập trung ở trong tầng đối lưu, cho nên rất nhiều các hiện tượng thời tiết nhưmây,sương mù,mưa,tuyếtđều phát sinh ở trong tầng đối lưu.

Trong tầng đối lưu, một tầng từ mặt đất đến 1 - 2 kilômét bị ảnh hưởng của mặt đất nâng lên và hạ xuống, khô và ẩm, lạnh và ấm rất lớn, gọi là tầng ma sát (hoặc tầng biên giới khí quyển). Tầng ma sát trở lên bị ảnh hưởng tình hình của mặt đất khá ít, gọi là khí quyển tự do. Tồn tại một tầng quá độ ở giữatầng đối lưuvàtầng bình lưu- xếp đặt ở trên tầng đối lưu, gọi là đỉnh tầng đối lưu, chều dày khoảng chừng mấy trăm mét đến 2 kilômét. Bề ngang của nhiệt độ không khí sát gần đỉnh tầng đối lưu phát sinh đột biến tuỳ theochiều caolên cao biến hoá, hoặc nhiệt độ thấp xuống bề ngang thay đổi thành nhỏ tuỳ theochiều caotăng thêm, hoặc nhiệt độ bảo toàn không thay đổi tuỳ theochiều caotăng thêm, hoặc nhiệt độ có hơi cao thêm tuỳ theochiều caotăng thêm. Đối với chuyển động thẳng đứng có tác dụng ngăn chận rất mạnh.

Đối lưu lớp phủ

Tranh vẽ sơ bộ giản hoá hiện trạng đi sát bên vùng đất của phần lớnmạch núi Andes.

Đối lưu lớp phủ, hoặc gọi là đối lưu địa mạn, là chuyển động mềm nhũn thong thả của lớp che phủ nham thạch Trái Đất, gây ra bởi đối lưu mà đem nhiệt lượng từ bộ phận ở mặt trong Trái Đất đến mặt ngoài Trái Đất.Nó là một trong ba loại lực khiên dẫn mà dẫn đếnmảng kiến tạodời đi vòng quanh mặt ngoài Trái Đất.

Một thứ giả thuyết thuyết minh chuyển động vật chất của nội bộ Trái Đất và giải thích cơ chế chuyển động củavỏ Trái Đấtvànham thạch quyển.Nó cho biết là ở tronglớp phủtồn tại hoàn lưu đối lưu của vật chất. Ở trung tâm tăng thêmnhiệtcủalớp phủ,vật chất biến thành nhẹ, thong thả lên cao hình thànhdòng trào dâng,đến đỉnh củaquyển chảy mềmchuyển thànhbình lưutrái hướng, bình lưu gặp nhau với bình lưu khác trái hướng nhau sau khi cách nhau khoảng nhất định mà biến thành dòng xuống thấp, tiếp sau bình lưu quay lưng vào nhau ở nơi thấp đi đến phần đáy củadòng trào dâng,bổ sungdòng trào dâng,từ đó hình thành một thể đối lưu hình vòng ngọc. Chuyển động nằm ngang thong thả của mảngnham thạch quyển- bình lưu phần trên của thể đối lưu đang cõng trên lưng, coi là quy mô lớn. Ở nơidòng trào dânghình thànhsống núi giữa đại dương,nơi dòng xuống thấp hình thànhhút chìmvà xô đụng lục địa. Năm 1928nhà địa chất họcVương quốc AnhArthur Holmescho biết là nơidòng trào dângxé mởvỏ Trái Đất,hình thànhđáy đại dươngmới, nơi dòng xuống thấp của đối lưu ép đẩyvỏ Trái Đấthình thànhmạch núi.Năm 1939 nhà vật lí địa cầuHoa KỳDavid Tressel Griggs nêu ra, bởi vìnham thạchtruyền dẫn nhiệtkhông tốt, việc tụ tập nhiệt phóng xạ dẫn tới đối lưu. Sau khihọc thuyết Kiến tạo mảngsản sinh vào thời kì sau niên đại 60 thế kỉ XX, chuyển động đối lưu lớp phủ được biết rõ rộng khắp là lực khiên dẫn của chuyển động mảng.

Quyển chảy mềmở dướinham thạch quyểncủa Trái Đất có 10% của thể nung chảy. Lớp phủchất rắntừnham thạch quyểntrở xuống vì nguyên do nhiệt độ cao và áp suất cao nên biểu hiện là tính mềm dai giống cùng một kiểu với chất lỏng dính đọng, lại còn có thể sản sinh lưu động. Tronglớp phủdo biến chất củađồng vị tốmang tínhphóng xạsản sinhnhiệtcho nênnhiệt độtăng thêm, mật độ biến thành ít, vì vậy vật chất nhẹ chuyển động xoay lên trên và vật chất nặng chuyển động xoay xuống dưới, để làm lợi cho trạng thái ổn định củathế năngđạt đến thấp nhất, đây chính là đối lưu lớp phủ, vận tốc vô cùng chậm, dòng trào dâng của nó được kế tục không ngừng từ mấy chục triệu năm đến mấy trăm triệu năm.

Việc phát hiện tính dị hướng của vận tốcsóng địa chấn,và từ giả thuyết nêu ra rằng đối lưu lớp phủ đưa đến sự sắp đặt định hướng củatinh thể,đã chống giữ một cách mạnh mẽ thuyết đối lưu lớp phủ. Nhà vật lí địa cầuHoa KỳWilliam Jason Morgan đã đưa ra một thứ mô thức đối lưu lớp phủ hình dạng lông chim đơn trục. Thể đối lưu nâng lên từ phần đáy của lớp phủ với tốc độ mấy xăngtimét mỗi năm, thể đối lưu được hình thành lấydòng trào dânglàm trung tâm trục và dòng xuống thấp hình dạng ống tròn ở bên ngoài. Khu vựcvỏ Trái Đấtmà dòng trào dâng đang hướng về chính là điểm nóng.

Thời tiết mang tính đối lưu

mưa, tuyết rơi,...

Mô hình toán học về đối lưu

Về mặt toán học, đối lưu có thể được mô tả bởiphương trình chuyển khối(phương trình khuếch tán - đối lưu).

Xem thêm

• Trao đổi nhiệt
• Dẫn nhiệt
• Bức xạ nhiệt