Czy byłeś kiedyś na plaży w słoneczny dzień? W słoneczny dzień zawsze wieje wiatr znad morza w kierunku lądu na plaży. Dlaczego na plaży zawsze wieje wiatr i dlaczego bryza morska (wiatr wiejący od morza w kierunku lądu) występuje w ciągu dnia, a bryza lądowa (wiatr wiejący od lądu w kierunku morza) w nocy? Dlaczego chmury schodzą na zbocza gór w porze deszczowej? Dlaczego wiatr wydaje się chłodny? Odpowiedzi na te pytania dotyczą ciepła właściwego lądu i morza, rozszerzalności, gęstości oraz wymiany ciepła przez konwekcję ( przenoszenie ciepła ). Dzięki dobremu i poprawnemu zrozumieniu tego tematu będziesz w stanie odpowiedzieć na powyższe pytania i inne pytania, które możesz zadać później.
Przenoszenie ciepła przez przewodzenie zachodzi zazwyczaj w ciałach stałych lub między ciałami stałymi a cieczami (ciecze do ciał stałych) lub między ciałami stałymi a gazami (gazy do ciał stałych). Natomiast przenoszenie ciepła przez konwekcję zachodzi zazwyczaj między cieczami (np. wodą) i gazami (np. powietrzem).
Konwekcyjny transfer ciepła to przenoszenie ciepła w połączeniu z ruchem materii. Aby lepiej zrozumieć konwekcyjny transfer ciepła, rozważmy przypadek, na przykład podgrzewanie wody za pomocą ognia. Gdy woda w pojemniku jest podgrzewana ogniem, ciepło przemieszcza się od ognia (wysoka temperatura) do pojemnika (niska temperatura) poprzez przewodzenie i promieniowanie. Następnie ciepło przemieszcza się od pojemnika (wyższa temperatura) do wody w pobliżu pojemnika (niższa temperatura) poprzez przewodzenie. Dodatkowe ciepło powoduje wzrost temperatury wody w pobliżu pojemnika. Wzrost temperatury powoduje, że woda rozszerza się, zwiększając swoją objętość. Wraz ze wzrostem objętości maleje jej gęstość . Woda przy dnie pojemnika ma wyższą temperaturę niż woda powyżej. Innymi słowy, woda przy dnie pojemnika ma większą objętość i mniejszą gęstość, podczas gdy woda powyżej ma mniejszą objętość i większą gęstość. Różnica gęstości powoduje, że woda na powierzchni pojemnika, która ma większą gęstość, przemieszcza się w dół, a woda przy dnie pojemnika, która ma mniejszą gęstość, przemieszcza się w górę. Proces ten zachodzi nieprzerwanie, aż cała woda w środku będzie miała taką samą temperaturę (jeśli ciśnienie powietrza wynosi 1 atmosferę, woda w pojemniku wyparuje, czyli zacznie wrzeć w temperaturze 100 o C).
Występowanie bryz lądowych i morskich wiąże się również z przenoszeniem ciepła przez przewodzenie i konwekcję. Ciepło właściwe lądu (ciepło właściwe ciała stałego) jest niższe niż wody morskiej, dlatego ląd nagrzewa się szybciej pod wpływem światła słonecznego, a także szybciej ochładza się w nocy. Ląd nagrzewa się szybciej, ogrzewając powietrze nad nim (ciepło jest przenoszone z lądu do powietrza przez przewodzenie). Temperatura powietrza, które otrzymuje dodatkowe ciepło, wzrasta, a powietrze rozszerza się. W rezultacie gęstość powietrza maleje. Z kolei temperatura wody morskiej jest niższa, więc powietrze nad powierzchnią morza jest również chłodniejsze w porównaniu z powietrzem nad powierzchnią lądu. Powietrze na poziomie morza jest zimniejsze, więc jego gęstość jest większa. Ta różnica gęstości powietrza powoduje, że powietrze na poziomie morza przesuwa się w kierunku lądu, wypychając powietrze nad nim w górę. Im dalej od powierzchni Ziemi, tym mniej powietrza powstaje z powodu malejącej siły grawitacji Ziemi. Ponieważ ilość powietrza maleje, maleje również ciśnienie powietrza. Gorące powietrze unoszące się nad lądem ochładza się, ponieważ im dalej od powierzchni Ziemi, tym niższe jest ciśnienie atmosferyczne. Zimne powietrze opada ponownie w dół, nie w kierunku powierzchni lądu, lecz w kierunku powierzchni oceanu, która ma niższą temperaturę. Proces ten zachodzi nieprzerwanie, tworząc przepływ powietrza znad morza w kierunku lądu. Krótko mówiąc, powietrze w pobliżu powierzchni morza przemieszcza się w kierunku lądu, powietrze w pobliżu powierzchni lądu unosi się, a powietrze nad nim przemieszcza się w kierunku powierzchni morza.
Dlaczego dym zawsze unosi się ku górze?
Dym unosi się, ponieważ jego temperatura jest wyższa niż temperatura otaczającego powietrza. Ponieważ temperatura dymu jest wyższa, jego objętość wzrasta, a gęstość maleje. Niższa gęstość dymu powoduje niższe ciśnienie dymu w porównaniu z ciśnieniem otaczającego powietrza. Otaczające powietrze wypycha dym ku górze.
Dlaczego chmury opadają w porze deszczowej? W porze deszczowej chmury zawierają dużo pary wodnej, co zwiększa ich gęstość. Chmury, które zawierają dużo pary wodnej i mają wysoką gęstość, opadają w kierunku miejsca, w którym otaczające powietrze ma taką samą gęstość jak chmura.
