Преносот на топлина со конвекција значително се зголемува кога течноста е подложена на осцилирачка наместо константна температура.
Феноменот на конвекција е добро познат на сите: го набљудуваме кога зовриваме вода во тенџере. Водата на дното, потопла, се крева и го ослободува вишокот енергија во близина на површината, која е постуденa, пред да се спушти. Овој начин на пренос на топлинска енергија се случува во системи од многу поголеми размери, какви што се атмосферата и океаните, и игра клучна улога во динамиката на планетата. Затоа, овој процес долго време е изучуван во физиката и е опишан со моделот Рејли-Бенард. Но, еден случај претходно беше слабо познат – кога температурата на еден од слоевите осцилира со текот на времето, како тлото на Земјата која е подложена на наизменичното менување на денот и ноќта.
Ладислав Скрбек, од Карловиот универзитет во Прага, Чешка, и неговите колеги покажаа дека преносот на топлинска енергија може да биде поголем при температурна осцилација отколку кога температурата останува константна. Ова се чини контраинтуитивно, доколку просечната температура е иста во двата случаи. А освен тоа, овој феномен е тешко да се докаже. Во експеримент од 2008 година, Џозеф Нимела и Кејтпали Шринивасан од Центарот за теориска физика Абдус Салам во Трст, Италија, не го забележале овој ефект. Прашањето беше одново ставено во фокус во 2020 година, кога тимот на Детлеф Лохсе, од Универзитетот во Твенте, Холандија, предвиде со нумерички симулации дека овој ефект треба да предизвика зголемување на топлинскиот тек до 25%, што претставува фактор што не може да се занемари.
Како се одвива процесот на конвекција во природата
За да дознаат повеќе за овој феномен, тимот на Ладислав Шкрбек смислил нов експеримент. Истражувачите користеле цилиндричен резервоар висок и широк 30 сантиметри, обложен со сензори за температура и исполнет со хелиум на криогена температура од 5 Келвина. Резервоарот бил затворен на врвот и на дното со две бакарни плочи чијашто температура можела да биде фиксна или променлива, во распон од 4,7 и 5,1 Келвини. Овие услови биле поставени за течноста да може што побрзо да реагира на температурните осцилации што се случуваале на една од плочите. Дополнително, со менување на параметрите на уредот, истражувачите влијаеле на интензитетот на конвекцијата, количина која се карактеризира со Рејлиевиот број. Високиот Рејлиев број значи дека движењата на течноста во форма на конвективни столбови се турбулентни.
Во нумеричките симулации (изведени во две димензии, освен за пореален тродимензионален случај), зголемувањето на преносот на топлина било забележано во широк опсег на фреквенции на температурните осцилации и на Рејлиовиот број. Според толкувањето на тимот на Детлеф Лохсе, во фазата кога температурата се зголемувала, граничниот слој на течноста што се граничел со грејната плоча бил силно дестабилизиран. Потоа конвективни столбови кои се движеле нагоре имале поголема енергија, отколку во случајот кога температурата останувала константна.
Пример за конвекција во помали размери
Експерименталните резултати се во согласност со реалниот случај на симулациите, а исто така покажуваат зголемување на преносот на топлина во широк опсег на фреквенции и амплитуди на температурните осцилации и на Рејлиевиот број. Физичарите исто така се сомневаат дека амплитудата на температурните осцилации била премногу мала во експериментот од 2008 година за да се забележи ова зголемување. Останува да се процени до кој степен овој ефект влијае на преносот на топлина со конвекција во атмосферата и во океаните, со цел подобро да се моделираат климатските феномени.
Како се одвива процесот на конвекција во природата
Пример за конвекција во помали размери