Bài học

Đối lưu là gì?

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cơ chế đối lưu qua sự hình thành dòng đối lưu trong chất lỏng và chất khí, và phân biệt được đối lưu với dẫn nhiệt.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương trước đã học dẫn nhiệt: truyền nhiệt tại chỗ qua va chạm hạt, không cần khối chất di chuyển, xảy ra chủ yếu ở chất rắn. Bài này học hình thức truyền nhiệt thứ hai, chỉ xảy ra ở chất lỏng và chất khí — nơi các hạt có thể tự do đổi chỗ cho nhau.

Khởi động

Nước là chất dẫn nhiệt khá kém — nếu chỉ dựa vào dẫn nhiệt, nhiệt sẽ lan rất chậm từ đáy nồi lên bề mặt. Vậy tại sao khi đun một nồi nước, chỉ sau vài phút toàn bộ khối nước — kể cả phần trên cùng, cách xa ngọn lửa — đều đã nóng lên rõ rệt?

Kiến thức trọng tâm

Đối lưu là hình thức truyền nhiệt bằng cách các lớp chất lỏng hoặc chất khí tự di chuyển, mang theo năng lượng nhiệt đi cùng. Dòng chuyển động này gọi là dòng đối lưu. Đối lưu chỉ xảy ra ở chất lỏng và chất khí — không xảy ra ở chất rắn, vì các hạt trong chất rắn không thể tự do đổi chỗ cho nhau.

Cơ chế hình thành dòng đối lưu dựa trên sự thay đổi khối lượng riêng theo nhiệt độ: lớp chất lỏng (hoặc khí) ở gần nguồn nhiệt nóng lên, nở ra, khối lượng riêng giảm nên trở nên NHẸ hơn phần xung quanh và NỔI lên; đồng thời, phần chất lỏng (khí) lạnh hơn, khối lượng riêng lớn hơn nên NẶNG hơn, CHÌM xuống thay thế chỗ vừa trống. Quá trình nóng lên — nổi lên, nguội đi — chìm xuống lặp lại liên tục tạo thành dòng đối lưu tuần hoàn, cho tới khi nhiệt độ trong toàn khối chất trở nên đồng đều hơn.

Trong ví dụ nồi nước ở phần khởi động: nước ngay phía trên ngọn lửa nóng lên trước, nở ra, nhẹ đi, dâng lên phía trên; nước lạnh hơn ở gần thành nồi và bề mặt chìm xuống thế chỗ. Vì đối lưu di chuyển cả một khối chất lớn cùng lúc, nó truyền nhiệt nhanh hơn dẫn nhiệt rất nhiều trong chất lỏng và chất khí — đó là lý do nồi nước nóng đều chỉ sau vài phút dù bản thân nước dẫn nhiệt khá kém.

**Đối lưu** là hình thức truyền nhiệt bằng cách các lớp chất lỏng hoặc chất khí tự di chuyển, mang theo năng lượng nhiệt đi cùng. Dòng chuyển động này gọi là **dòng đối lưu**. Đối lưu chỉ xảy ra ở chất lỏng và chất khí — không xảy ra ở chất rắn, vì các hạt trong chất rắn không thể tự do đổi chỗ cho nhau. Cơ chế hình thành dòng đối lưu dựa trên sự thay đổi khối lượng riêng theo nhiệt độ: lớp chất lỏng (hoặc khí) ở gần nguồn nhiệt nóng lên, nở ra, khối lượng riêng giảm nên trở nên NHẸ hơn phần xung quanh và NỔI lên; đồng thời, phần chất lỏng (khí) lạnh hơn, khối lượng riêng lớn hơn nên NẶNG hơn, CHÌM xuống thay thế chỗ vừa trống. Quá trình nóng lên — nổi lên, nguội đi — chìm xuống lặp lại liên tục tạo thành dòng đối lưu tuần hoàn, cho tới khi nhiệt độ trong toàn khối chất trở nên đồng đều hơn. Trong ví dụ nồi nước ở phần khởi động: nước ngay phía trên ngọn lửa nóng lên trước, nở ra, nhẹ đi, dâng lên phía trên; nước lạnh hơn ở gần thành nồi và bề mặt chìm xuống thế chỗ. Vì đối lưu di chuyển cả một khối chất lớn cùng lúc, nó truyền nhiệt nhanh hơn dẫn nhiệt rất nhiều trong chất lỏng và chất khí — đó là lý do nồi nước nóng đều chỉ sau vài phút dù bản thân nước dẫn nhiệt khá kém.

Ví dụ

Giải thích nước trong nồi nóng đều dù chỉ đun đáy

1
Một nồi nước được đun trên bếp gas, ngọn lửa chỉ tiếp xúc với đáy nồi. Sau vài phút, cả lớp nước trên cùng, cách xa ngọn lửa, cũng đã nóng lên rõ rệt. Hãy giải thích bằng đối lưu.
2
Ta có lớp nước sát đáy nồi nhận nhiệt trực tiếp từ ngọn lửa (qua dẫn nhiệt của đáy kim loại), nóng lên và nở ra trước tiên.
3
Vì nở ra nên khối lượng riêng của lớp nước này giảm, nhẹ hơn phần nước lạnh phía trên, nên nó nổi lên; đồng thời nước lạnh phía trên chìm xuống thế chỗ, tạo thành dòng đối lưu.
4
Vậy dòng đối lưu liên tục đảo nước nóng lên trên, nước lạnh xuống dưới, khiến toàn bộ khối nước trong nồi nóng lên gần như đồng đều chỉ sau vài phút, nhanh hơn nhiều so với nếu chỉ dựa vào dẫn nhiệt của nước.

Ví dụ

Dự đoán hướng dòng đối lưu khi nguồn nhiệt đặt lệch

1
Một cốc nước hình trụ được đun nóng bằng một ngọn lửa nhỏ đặt LỆCH sang bên trái của đáy cốc (không phải ở giữa). Hãy dự đoán hướng của dòng đối lưu chính trong cốc và giải thích.
2
Ta có phần nước ngay phía trên ngọn lửa, tức bên trái đáy cốc, nhận nhiệt trước và nóng lên trước phần nước còn lại.
3
Do đó phần nước bên trái nở ra, nhẹ đi, dâng lên dọc theo thành trái của cốc; nước lạnh hơn ở phía bên phải, nặng hơn, chìm xuống để thế chỗ.
4
Vậy dòng đối lưu chính trong trường hợp này đi lên ở bên trái (gần nguồn nhiệt) và đi xuống ở bên phải, tạo thành một vòng tuần hoàn LỆCH chứ không đối xứng như khi đun chính giữa đáy cốc.

Sai lầm thường gặp

Một số học sinh cho rằng đối lưu cũng có thể xảy ra trong chất rắn, hoặc nhầm lẫn khi mô tả nước nóng lên là do "dẫn nhiệt của nước" — thực chất nước dẫn nhiệt khá kém, chính đối lưu (dòng nước tự di chuyển) mới là nguyên nhân chính khiến nước trong nồi nóng đều nhanh chóng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Đối lưu chỉ xảy ra ở chất lỏng và khí: phần chất nóng lên, nở ra, nhẹ hơn nên nổi lên; phần lạnh hơn, nặng hơn nên chìm xuống thế chỗ, tạo thành dòng đối lưu tuần hoàn giúp truyền nhiệt nhanh hơn dẫn nhiệt rất nhiều trong chất lỏng, khí.

Bài tiếp theo mở rộng đối lưu ra quy mô tự nhiên rộng lớn hơn — giải thích gió biển, gió đất và nguyên lý bố trí thiết bị sưởi ấm, làm mát trong đời sống.