Видео (DivX 10 600 kB)
Явление конвекции играет важную роль в процессах теплообмена, однако визуальное наблюдение его в однородных прозрачных средах (газах, жидкостях) затруднено. Это связано с тем, что температурные изменения показателя преломления обычно невелики. Для наблюдения конвективных потоков удобно использовать взвеси мелких частиц в жидкостях, например, алюминиевой пудры в минеральном масле или парафине. При достаточной концентрации взвешенных частиц алюминия можно продемонстрировать не только явление, конвекции, но и процессы, происходящие на поверхности жидкости. Этот случай представляет большой интерес, поскольку в плоском горизонтальном слое жидкости при определенных условиях образуется упорядоченная структура конвективных потоков - ячейки Бенара. Эти ячейки являются типичным примером так называемых "диссипативных структур", которые при определенных условиях могут возникать в открытых системах, далеких от равновесия. Такие структуры изучаются в рамках недавно сформировавшегося и активно развивающегося научного направления - синергетики.
Прибор для демонстрации конвективных ячеек состоит из обычной электроплитки и установленной на ней алюминиевой цилиндрической емкости с достаточно толстым дном. В емкость наливается слой масла с подмешанной в него алюминиевой пудрой. Удобно также использовать взвесь пудры в парафине, расплавляемую при каждом показе демонстрации и хранящуюся между опытами в емкости в твердом состоянии. Для устранения краевых эффектов жидкость отделена от стенок емкости цилиндрической вставкой из стеклотекстолита, плохо проводящего тепло.
Образование ячеек происходит следующим образом. При медленном нагревании сосуда конвекция в смеси возникает не сразу - если разность температур между дном сосуда и поверхностью жидкости мала, то вязкость препятствует конвективному движению, и перенос тепла обеспечивается теплопроводностью. Однако, при достижении некоторой критической разности температур между дном и поверхностью в такой системе происходит скачкообразный "фазовый переход" в состояние с конвективными потоками, обладающее характерной упорядоченной структурой в виде ячеек, в центре которых жидкость движется вверх, а по краям - вниз. Это и есть ячейки Бенара.
Слегка наклоняя емкость, можно продемонстрировать пропорциональность размеров ячеек Бенара толщине слоя жидкости. Там, где толщина слоя жидкости невелика, ячейки будут маленькими. С помощью описанного прибора можно также продемонстрировать способность ячеек Бенара к самоорганизации. Если разрушить имеющуюся структуру - например, активно перемешивая жидкость палочкой, то через некоторое время после окончания перемешивания ячейки вновь восстанавливаются.
Разделы
Физфак
МГУ
Явление конвекции играет важную роль в процессах теплообмена, однако визуальное наблюдение его в однородных прозрачных средах (газах, жидкостях) затруднено. Это связано с тем, что температурные изменения показателя преломления обычно невелики. Для наблюдения конвективных потоков удобно использовать взвеси мелких частиц в жидкостях, например, алюминиевой пудры в минеральном масле или парафине. При достаточной концентрации взвешенных частиц алюминия можно продемонстрировать не только явление, конвекции, но и процессы, происходящие на поверхности жидкости. Этот случай представляет большой интерес, поскольку в плоском горизонтальном слое жидкости при определенных условиях образуется упорядоченная структура конвективных потоков - ячейки Бенара. Эти ячейки являются типичным примером так называемых "диссипативных структур", которые при определенных условиях могут возникать в открытых системах, далеких от равновесия. Такие структуры изучаются в рамках недавно сформировавшегося и активно развивающегося научного направления - синергетики.
