Bài học

Đối lưu trong tự nhiên và đời sống

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng được đối lưu để giải thích gió biển ban ngày, gió đất ban đêm, và nguyên lý bố trí máy sưởi, điều hoà trong một căn phòng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã học cơ chế đối lưu ở quy mô một cốc nước: chênh lệch nhiệt độ dẫn tới chênh lệch khối lượng riêng, tạo ra dòng đối lưu. Bài này áp dụng đúng cơ chế đó cho quy mô lớn hơn nhiều — không khí trong tự nhiên — cùng một same-grade bridge nhỏ về khả năng giữ nhiệt của nước đã học ở bài Nhiệt dung riêng.

Khởi động

Vào buổi trưa hè ở bãi biển, đứng gần mép nước, em thường cảm nhận có gió thổi từ biển vào bờ. Nhưng đến tối, gió lại đổi chiều, thổi từ đất liền ra biển. Vì sao cùng một bãi biển mà hướng gió lại đảo ngược theo thời gian trong ngày?

Kiến thức trọng tâm

Gió biển ban ngày: dưới ánh nắng, đất liền hấp thụ nhiệt và nóng lên nhanh hơn nước biển. Không khí ngay trên mặt đất nóng lên nhanh, nở ra, nhẹ đi, bốc lên cao. Không khí trên mặt biển khi đó vẫn còn mát hơn, nặng hơn, tràn vào đất liền ở gần mặt đất để thế chỗ — tạo thành gió thổi từ biển vào bờ, thường gọi là gió biển hay gió nồm.

Gió đất ban đêm: khi Mặt Trời lặn, đất liền toả nhiệt và nguội đi nhanh hơn nước biển (nước vẫn còn giữ được phần lớn nhiệt đã hấp thụ ban ngày nhờ nhiệt dung riêng lớn). Không khí trên mặt biển khi đó ấm hơn, nhẹ hơn, bốc lên; không khí lạnh, nặng hơn từ đất liền tràn ra biển thế chỗ — tạo thành gió thổi từ đất liền ra biển, ngược hẳn chiều ban ngày.

Nguyên lý đối lưu này còn được ứng dụng trực tiếp khi bố trí thiết bị sưởi ấm, làm mát trong nhà: máy sưởi thường đặt THẤP, gần sàn, để không khí nóng tự bốc lên làm ấm toàn bộ căn phòng từ dưới lên; điều hoà làm mát ngược lại thường đặt CAO, gần trần, để không khí lạnh (nặng hơn) tự chìm xuống, lan toả khắp phòng.

Chìa khoá để giải thích hiện tượng này là: đất liền nóng lên và nguội đi NHANH hơn nước biển rất nhiều, vì nước có nhiệt dung riêng lớn hơn đất (same-grade bridge: nhớ lại công thức $Q = m \cdot c \cdot \Delta t$ — với cùng một lượng nhiệt lượng, chất có $c$ càng lớn thì $\Delta t$ càng nhỏ, tức nhiệt độ thay đổi càng chậm). **Gió biển ban ngày**: dưới ánh nắng, đất liền hấp thụ nhiệt và nóng lên nhanh hơn nước biển. Không khí ngay trên mặt đất nóng lên nhanh, nở ra, nhẹ đi, bốc lên cao. Không khí trên mặt biển khi đó vẫn còn mát hơn, nặng hơn, tràn vào đất liền ở gần mặt đất để thế chỗ — tạo thành gió thổi từ biển vào bờ, thường gọi là gió biển hay gió nồm. **Gió đất ban đêm**: khi Mặt Trời lặn, đất liền toả nhiệt và nguội đi nhanh hơn nước biển (nước vẫn còn giữ được phần lớn nhiệt đã hấp thụ ban ngày nhờ nhiệt dung riêng lớn). Không khí trên mặt biển khi đó ấm hơn, nhẹ hơn, bốc lên; không khí lạnh, nặng hơn từ đất liền tràn ra biển thế chỗ — tạo thành gió thổi từ đất liền ra biển, ngược hẳn chiều ban ngày. Nguyên lý đối lưu này còn được ứng dụng trực tiếp khi bố trí thiết bị sưởi ấm, làm mát trong nhà: máy sưởi thường đặt THẤP, gần sàn, để không khí nóng tự bốc lên làm ấm toàn bộ căn phòng từ dưới lên; điều hoà làm mát ngược lại thường đặt CAO, gần trần, để không khí lạnh (nặng hơn) tự chìm xuống, lan toả khắp phòng.

Ví dụ

Giải thích đầy đủ hiện tượng gió biển ban ngày

1
Giải thích vì sao vào buổi trưa nắng ở bờ biển, gió luôn thổi từ biển vào đất liền.
2
Ta có đất liền có nhiệt dung riêng nhỏ hơn nước biển, nên cùng nhận một lượng bức xạ Mặt Trời như nhau, đất liền nóng lên nhanh hơn.
3
Do đó không khí sát mặt đất nóng lên trước, nở ra, nhẹ đi, bốc lên cao; không khí trên biển vẫn mát hơn, nặng hơn, tràn vào đất liền ở tầng thấp để thế chỗ.
4
Vậy dòng không khí đi từ biển vào đất liền ở gần mặt đất chính là gió biển mà em cảm nhận được — hệ quả trực tiếp của chênh lệch nhiệt độ giữa đất và biển vào ban ngày.

Ví dụ

Phản biện vị trí lắp máy sưởi

1
Một gia đình định lắp máy sưởi ở vị trí SÁT TRẦN NHÀ thay vì gần sàn, với lý do "khí nóng ở trên thì cả phòng sẽ ấm nhanh hơn". Hãy phân tích và cho biết cách lắp này có hợp lý không.
2
Ta có nếu máy sưởi đặt sát trần, khí nóng sinh ra đã ở vị trí cao nhất trong phòng ngay từ đầu.
3
Do khí nóng nhẹ hơn nên có xu hướng tiếp tục ở lại phần trên, khó tự lan xuống các tầng không khí thấp hơn (vì đối lưu chủ yếu đẩy khí NÓNG đi LÊN, không đẩy nó xuống); trong khi đó không khí lạnh, nặng hơn, vẫn nằm im ở phần dưới phòng.
4
Vậy cách lắp máy sưởi sát trần KHÔNG hợp lý — phần dưới phòng, nơi con người thường sinh hoạt, vẫn lạnh dù trần nhà đã ấm. Máy sưởi nên đặt thấp, gần sàn, để không khí nóng tự bốc lên và làm ấm dần cả phòng từ dưới lên.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nhớ nhầm chiều gió biển và gió đất, hoặc quên rằng nước biển có nhiệt dung riêng lớn hơn đất liền nên nóng lên/nguội đi CHẬM hơn — đây chính là nguyên nhân gốc của cả hai loại gió, không nên học thuộc chiều gió một cách máy móc mà không hiểu vì sao.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ban ngày đất nóng nhanh hơn biển → gió thổi từ biển vào bờ. Ban đêm đất nguội nhanh hơn biển → gió thổi từ đất ra biển. Máy sưởi đặt thấp, điều hoà làm mát đặt cao — cả hai đều tận dụng đúng nguyên lý đối lưu.

Chương tiếp theo học hình thức truyền nhiệt thứ ba — bức xạ nhiệt — hình thức duy nhất không cần bất kỳ chất nào làm môi trường truyền, kể cả truyền qua khoảng chân không giữa Mặt Trời và Trái Đất.