Нагрівання будь-якого середовища, наприклад води або повітря, змушує його розширюватися і ставати легше. І навпаки, охолодження - змушує її стискатися і ставати важчим. Комбінація цих різноспрямованих фізичних впливів формує явище, що називається конвекцією і є одним з процесів передачі теплоти у великих обсягах рідин і газів.

Коли посудина з водою розташована над пальником, вода над полум'ям поглинає енергію. Ця енергія змушує молекули води відсуватися одна від одної, внаслідок чого вона стає менш щільною. Нагріта вода піднімається нагору; на малюнку сіра фарба на дні судини робить цей рух видимим. У той же час холодніша і щільніша вода опускається вниз, щоб зайняти місце теплої води, що піднялася вгору. Коли тепла вода піднімається, вона віддає частину своєї енергії навколишній воді і трохи охолоджується. Тим часом тепліша вода продовжує підніматися, відсуваючи в сторони шари охолодженої води. Конвекція припиниться лише тоді, коли полум'я згасне і вся вода прийме однакову температуру.

Конвекція при підведенні теплоти

Нагрівання дна пробірки підвищує температуру нижніх шарів води. В результаті тепла вода піднімається вгору, а важча холодна водаопускається вниз і нагрівається. Згодом вся вода стає гарячою. Нагрівання верхньої частини пробірки призводить до підвищення температури лише верхніх шарів води, оскільки легша гаряча водазалишається над холодною.

Конвективний рух води

Піднімаючись зі дна судини, що стоїть на вогні, нагріта вода поступово втрачає теплоту. Опинившись на поверхні, ця вода розходиться в сторони під дією стовпа, що піднімається, більш теплої води. Охолоджуючись, вода стає щільнішою і опускається вниз.

Конвекція у газовому середовищі

Струйки диму дозволяють простежити формування конвективних струмів повітря кімнати (малюнки вгорі). Процес починається з підйому теплого повітря (лівий малюнок). Досягнувши стелі (середній малюнок), це повітря розходиться в сторони під дією теплих повітряних струменів, що піднімаються, після чого, втративши теплоту, опускається вниз до підлоги і під дією спускаються зверху струменів охолодженого повітря (малюнок праворуч) знову переміщається до джерела теплоти, нагрівається і піднімається нагору.

Нагрівання та охолодження повітря в кімнаті

Повітряний кондиціонер охолоджує кімнату найбільше ефективно при розміщенні біля стелі (верхній малюнок під текстом), так як охолоджене повітря (на малюнку синій) опускається вниз і потім поширюється по кімнаті в результаті конвекції. І навпаки, повітронагрівач працює найкраще, коли розміщений біля підлоги (нижній малюнок). Тепле повітря (на малюнку помаранчеве) піднімається вгору і потім циркулює по кімнаті.

Ця стаття націлена простими формулюваннями дати уявлення, як у кімнаті виходить повітрообмін, і як на це вплинути, щоб отримати оптимальні параметри повітря. Тому у статті допущено спрощення та ігнорування деяких фізичних параметрів. Якщо ж ви хочете точні наукові формулювання, введіть у пошук необхідний термін і знайдете безліч описів і даних.

Частина 1 - Наука

Щоб різні формули та цифри були більш тямущими, ми часто будемо розглядати їх на прикладах. І для таких прикладів будемо використовувати такі значення:

Середня кімната це 5 на 6 метрів із стелями 2.5 метрів.

Оптимальні параметри повітря це 18С та 60% вологості.

Говорячи про повітря в цілому часто є введений 1 метр куб повітря.

Трохи теорії

У повітрі є певна кількість води (пара), і ця кількість вимірюється поняттям вологість. Вологість вказують як відносно (наприклад 50-70%), так і абсолютно (наприклад, 10 г/метр куб). Ми звичайно звикли першому варіанту, але перш ніж говорити про відносну вологість, треба сказати про абсолютну вологість і зв'язок його з температурою повітря.

Абсолютна вологість

Абсолютна вологість повітря – це кількість води (пара) (грам) у повітрі (1 метр куб). І точну кількість води у повітрі називається – абсолютною вологістю.

Максимальна абсолютна вологість

Зрозуміло, що повітря не може містити нескінченну кількість води, є максимум води, яку повітря може містити, тобто 100% вологості. І ця кількість води називається – максимальна абсолютна вологість.

І повітря залежно від температури може містити певну кількість води (пара), і чим вища температура повітря, тим більше водиможна випарувати у повітрі, а чим нижча температура повітря, тим менше водиможна випарувати. А за мінусових температур вода практично не випаровується в повітрі. Тому чим холодніше повітря(Нижче 5С) тим він суші і не важливо яка відносна вологість при цьому.

Наведемо графік максимальної абсолютної вологості за різних температур:

Як бачите що вище температура, то більша кількість води може в ній випаруватися.

Відносна вологість

Співвідношення абсолютної вологості та максимальної можливої ​​абсолютної вологості при конкретній температурі називають - Відносною вологістю. Тобто якщо при 18С максимальна абсолютна вологість (на м3 повітря) це 15.4 грам (видно за графіком вище), то для 60% відносної вологості там має бути 9.2 грам води (на м3 повітря). Тому що 9.2/15.4 це 60%.

Тепер знаючи це, ми можемо пояснити, чому при нагріванні повітря відносна вологість падає. З нагріванням вологоємність (максимальна абсолютна вологість) повітря зростає, але кількість води в ньому (абсолютна вологість) залишається незмінною, тому відношення води до максимуму зменшується. Наприклад, якщо у вас в кімнаті повітря 0С і вологість 100% (4.8 грам в м3 повітря), то якщо ви його нагрієте до 18С то у вас відносна вологість буде 31% (4.8/15.4)

Також знання точних грамів води в повітрі дає нам поняття, скільки води потрібно випарувати в ньому, щоб досягти оптимальної вологості.

Для прикладу візьмемо середню кімнату та оптимальну температуру. Як ми раніше говорили при температурі повітря 18С і вологість 60%, це 9.2 грам води на метр куб. І якщо ваша кімната приблизно 5х6м із стелями 2.5м і якщо у вас оптимальна температура(18С) і вологість (60%) то у вас у кімнаті у повітрі приблизно (множимо 5 х 6 х 2.5 х 9.2) 690 грам води (пара). А якщо у вас при тій же кімнаті вологість 20% при 18С, то у вас у повітрі приблизно 230 грам води, і щоб досягти оптимальної вам треба випарувати в повітрі (690-230) 460 грам води. Хороші побутові зволожувачі випускають приблизно 350 г води на годину. Значить, вам знадобиться близько півтори години зволоження, щоб зробити оптимальну вологість. (Але ми забігаємо вперед, до практики ще підійдемо.)

* Якщо математика не "близька до вас духом" то не засмучуйтесь, всі ці цифри зовсім не треба запам'ятовувати, головне мати загальне уявлення, про що йдеться.

Ще раз повторимо все, що треба витягти з теорії:

• абсолютна вологістьце точна кількість води (пара) у повітрі
• максимальна абсолютна вологістьце максимально можлива кількість води в повітрі щодо певної температури повітря
• відносна вологістьце співвідношення абсолютної вологості до максимальної абсолютної вологості.
• чим температура повітря вища тим більше води в ній може випаруватися
• чим температура повітря нижча тим менше води може в ній випаруватися
• при нагріванні кількість води у повітрі не змінюється, а змінюється вологоємність повітря

Пори року чи повітря за вікном

Звичайно ж, залежно від пори року, у нас за вікном різне повітря.

Влітку - повітря жарке і вологе (у спеку навіть при 20% відносної вологості в повітрі досить багато води), Взимку - холодне і сухе (як ми говорили раніше в холод вода в повітрі практично не випаровується, тому в холод завжди сухо), Навесні і восени - прохолодно та волого.

Але щодо нашої кімнати та оптимальних умов, повітря за вікном можна ділити не на пори року, а на різницю у температурі та вологості. Тобто тепліше, чи холодніше, чи суші. І найчастіше нас хвилює 2 стани, це:

• коли повітря за вікном тепліше/жаркіше (переважно літо), далі скорочено - Літо
• коли повітря за вікном холодно та сухо (переважно зима), далі скорочено - Зима

І в практичній частині статті ми якраз і будемо про ці два стани писати.

Про кімнату

Яке повітря опускається, а яке піднімається?

Широко відомо, що тепле повітря легше за холодне, тому на стелі температура вища, ніж на підлозі. А ось вологе повітря легше за сухе, тому на стелі вологість вища, ніж на підлозі. У результаті у вас на підлозі повітря холодніше і сухіше ніж на стелі, де тепліше і вологіше.

А яка різниця вологості та температури від стелі до підлоги?

Це залежить від багатьох параметрів, висоти стелі, розміру кімнати, розташування теплопродуктора (опалювача), вологопродуктора (зволожувача), тепловіддачі, вологовіддачі, напрямків потоків повітря (провітрювання, вентиляція), тощо. Але загалом відзначається 2-4 градуси та 5-10% вологості. Але при інтенсивному обміні повітря, тепла, вологості (наприклад, відкрите вікно, працює опалення, вентилятор, зволожувач/випарювальний охолоджувач), і високі стелі то різниця може досягати і 5-10 градусів, і 10-30% вологості.

Також потрібно відзначити, що від обігрівача до вікна теж температура відрізняється на 5-10 градусів, а то й більше.

Провітрювання

Це, здавалося б, проста зрозуміла процедура при детальному розгляді несе істотні зміни в наше повітря, яку ми створюємо в кімнаті. При провітрюванні не тільки очищається повітря в кімнаті, але й відбувається інтенсивний обмін тепла та вологи, і після провітрювання всі наші зусилля щодо створення оптимального повітря можуть обнулятися.

Але й без провітрювання теж не можна, тому в практичній частині ми обговоримо як проводити 3 важливі процедури: провітрювання, терморегуляція, вологорегуляція, без шкоди іншим параметрам повітря.

По суті в наших кімнатах постійно йде повітрообмін із зовнішнім середовищем (якщо звичайно ваша кімната не герметично зачинена і ніколи ні вікна ні двері не відчиняються), в якійсь кімнаті більше, а в якійсь менше. Для цього навіть є спеціальні вимірювання, скільки разів повітря на годину оновиться повністю. Якщо 1 це один раз, якщо 2 це двічі, а якщо 0.5, то всього половина повітря оновлюється за годину. Якщо у вас всі вікна і двері зачинені, то в вашій кімнаті цей показник близький до 0.1, а якщо у вас все відкрито, то показник близький до 3-4.

З хворою дитиною цей показник бажано бути не меншим за 1. Але це в зимовий час дуже складно, тому що за годину зволожувачі не справляються зволожити всю кімнату (це ми знову забігаємо вперед).

Частина 2 - Практика

Тепер від теорії перейдемо до практики. Наведені тут рецепти намагаються вчить вас мислити креативно по відношенню до побутових умов, і адаптувати їх під свої потреби та умови.

Наша мета

За будь-яких умов за вікном собі та дитині забезпечити оптимальні параметри повітря – близько 18С та 50-70% вологості (або ж у середній кімнаті мати близько 500-700 грам води випаровані у повітрі). З мінімальними зусиллями, мінімальними витратами та максимальною зручністю. За пріоритетом:

• чистота повітря на першому місці
• температура повітря на другому місці
• вологість повітря на третьому місці

Загальне

Вплив на повітря можна розділити на 2 частини:

• активна корекція для досягнення оптимальних параметрів
• пасивна підтримка оптимальних параметрів повітря

Тобто спочатку ми активно включаємо всі сили на повну міць для максимально швидкого досягнення оптимальних параметрів повітря, а потім знижуємо вплив до мінімального необхідного, щоб оптимальні параметри повітря зберігалися.

Інструменти

Для впливу на повітря ми маємо наступні інструменти:

Кондиціонер

• витратність: висока
• температура: охолодження високе
• вологість: висушує
• вентиляція: низька
• шум: низький
• обслуговування: рідкісне
• мобільність: ні

Випарний охолоджувач

• витратність: низька
• температура: охолодження нормальне
• вологість: високе зволоження
• вентиляція: висока
• шум: середній
• обслуговування: щоденне
• мобільність: висока

Ультразвуковий зволожувач

• витратність: низька
• температура: не впливає
• вологість: середнє зволоження
• вентиляція: жодна
• шум: дуже низький
• обслуговування: щоденне
• мобільність: висока

Печка/батарея

• витратність: помірна
• температура: зігріває
• вологість: висушує
• вентиляція: жодна
• шум: дуже низький
• обслуговування: рідкісне
• мобільність: ні

Очищувач повітря/мийки

• витратність: висока
• температура: не впливає
• вологість: середнє зволоження
• вентиляція: ніяка але очищує повітря фільтрами
• шум: дуже низький
• обслуговування: щоденне
• мобільність: висока

Вентилятор

• витратність: низька
• температура: не впливає
• вологість: не впливає
• вентиляція: висока
• шум: середній
• обслуговування: рідкісне
• мобільність: висока

Парогенератор

• витратність: середня
• температура: трохи зігріває
• вологість: зволожує помірно
• вентиляція: жодна
• шум: низький
• обслуговування: щоденне
• мобільність: висока

У цій частині почнемо практично застосовувати наші знання у боротьбі за оптимальні параметри повітря.

Кімнатний підхід

Кімнатний підхід до забезпечення повітря досить поширений спосіб, він навчає нас як у кімнаті створити необхідне повітря. І для початку треба такий підхід також вивчити.

Восениі навеснів цілому нічого не потрібно робити, лише вікна відкрити, вдень повітря нормальне, а вночі прохолодне вологе, все провітрюється і без витрат, без зусиль.

А вліткувелика проблема це охолодити, тому що з вологістю все гаразд. Для охолодження найефективніше це кондиціонер, але дуже витратний. І якщо ви можете собі його дозволити мати хоча б 1 кондиціонер дуже навіть не завадить, тому що в багатьох хворобах прохолодне повітря має критичне значення, і влітку від спеки він може бути порятунком.

Альтернатива кондиціонеру - Випарний охолоджувач (за цим пристроєм окрема стаття посилання нижче). Сила охолодження на кілька градусів не дотягує до кондиціонера, але цілком достатній для порятунку від спеки, і дуже сильний його плюс у тому, що він одразу і зволожує кімнату, і так само провітрює, і дуже економічний, і коштує в рази менше кондиціонера.

Взимкувсе набагато складніше, ми маємо справу із сухим холодним повітрям. А всередині кімнати завдяки неконтрольованому опаленню сухо та спекотно. Відкривши вікно, ще можна охолодити кімнату, а ось зволожити її велика проблема. Звичайно, ви напевно читали як прикрити опалення, поставити регулятор, закрити вікна, використовувати ультразвуковий зволожувач, ітд. І якщо ви все це робите і у вас не є проблем, то вітаємо вас. Хоча з провітрюванням у вас все одно будуть якісь проблеми, але в цілому вдало справляєтесь із зимою.

Але тут хотілося б розповісти про альтернативний метод регулювання повітря. Це знову ж таки раніше згаданий Випарний охолоджувач. Особливість роботи даного апарату в тому, що чим спекотніше і суші повітря, тим воно ефективніше його зволожує і на виході майже стабільну температуру 18-23С температуру утворює (точна температура залежить від потужності пристрою і спеки/сухості повітря). І якщо такий охолоджувач поставити поряд з обігрівачем, то він все спекотне повітря втягуватиме і випускатиме охолоджене вологе повітря.

Найголовніше апарат вимагає відкритих вікон (або хоча б кватирку) щоб зайва волога відлітала. Так що шляхом балансу обігрівача, випарного охолоджувача та відкритістю вікна ви зможете зробити взимку тепло та вологообмін так щоб у вас у квартирі було прохолодне, вологе та провітрюване повітря.

Звичайно ж, залежно від вашої кімнати, розташування опалення, вікон, і моделі випарного охолоджувача вам доведеться по-різному організовувати повітрообмін. Універсальних формул немає, але якщо ви трохи поекспериментуєте та виміряєте на різних кутах температуру та вологість, то шляхом проб та помилок знайдете свій оптимум.

І так все, що вам потрібно, це Випарний охолоджувач, і якщо є можливість, то і кондиціонер. Звичайно, звичайний ультразвуковий зволожувач ніхто не забороняє мати.

Персональний підхід

Такий підхід дуже поширений серед кліматичних методик. Він спрямований не на організацію оптимального повітря по всій кімнаті, а організувати його там, де він потрібен, тобто під носом дитини (і батьків). У принципі нам не обов'язково щоб біля шафи чи тумбочки було оптимальне повітря, нам потрібно, щоб саме під носом дитини було потрібне повітря, а що відбувається в інших кутах кімнати це не важливо.

Від опису має бути ясно, що це дуже економний метод. І переважно ми говоримо про повітря під час сну. Нам не потрібні вимірювання в різних точках кімнати, щоб дотримуватися оптимальних параметрів повітря по всій кімнаті, а знадобитися лише вимірювання близько до дитини (і батьків).

Весною, восени, вліткуцей підхід майже відрізняється від кімнатного підходу. А от взимкує відмінності (так само є відмінності, коли дитина хвора). Припустимо, що у вас немає засобів і можливостей ізолювати опалення, ставити регулятор, випарний охолоджувач купити, ітд, але потрібно влаштувати оптимальне повітря дитині. Тоді вам знадобиться будь-який дешевий зволожувач повітря (можна знайти за 10-30$), опалення працює, відкриваєте вікно так щоб температура балансувалася десь між вікном та опаленням у потрібні 18С (якщо стає холодніше то прикриваєте вікно, а якщо стає спекотніше то відкриваєте вікно, знаходите баланс, де холод, що надходить від вікна компенсується теплом від опалення). Ставте дитяче ліжко між опаленням та вікном там, де повітря балансується при 18С, це зазвичай 2-3 метри від вікна. А якщо прямо під вікном ставити то шапку краще одягнути дитині, тому що від голови до 50% тепла йде, і холодні вітри на голову не підуть на користь. Ставте поруч зволожувач так, щоб до носа дитини туман від зволожувача доходив потрібним відсотком вологи. Це зазвичай у радіусі метр відбувається, а якщо дешевий зволожувач то й півметра.

І ось ви отримуєте і необхідну температуру, і вологість і провітрювання навіть взимку і майже без жодних витрат.

Якщо ви і для самих хочете оптимальне повітря влаштувати, то теж лягайте поряд з дитиною, де потрібна температура досягається і зволожувач працює. Ну чи ще один такий зволожувач собі ставите.

Для знаходження балансу також не забувайте про висоту розташування дитини, пам'ятайте теоретично, чим вище, тим тепліше, чим нижче, тим холодніше.

Також незалежно від методу забезпечення повітря пам'ятаєте оптимальне повітря має потрапляти прямо в ніс дитини, а якщо ви ковдрою прикриєте ніс дитини, то він дихатиме теплим повітрям з-під ковдри і всі роботи із забезпечення повітря втратить сенс. Тому найкраще верх дитини одягнути тепліше і ковдру закрити до пояса/груді.

Ольга Рогачова
Досліди з повітрям

Досвід №1

Ціль досвіду повітря Повітря нам необхідне, щоб дихати. Ми вдихаємо і видихаємо повітря.

Хід: Беремо склянку з водою, вставивши соломинку і видихаємо повітря. У склянці з'являються бульбашки.

Досвід №2

Ціль досвіду: Підвести дітей до розуміння та значення. повітря

Хід: Зробіть маленький парашут Покажіть, що коли парашут опускається, повітряпід ним розпирає купол, підтримуючи! його, тому зниження відбувається плавно.

Досвід №3

Ціль досвіду: Підвести дітей до розуміння характеристик повітря. Повітря невидиме, немає певної форми, поширюється у всіх напрямах, немає власного запаху.

Хід:Візьміть ароматизовані серветки, кірки апельсинів і т. д. і запропонуйте дітям послідовно відчути запахи, що розповсюджуються у приміщенні.

Досвід №4

Ціль досвіду: Підвести дітей до розуміння ваги. повітря. Повітря має вагу. Хід:Покладіть на чаші терезів надутий і не надутий кульки: чаша з надутою кулькою переважить

Досвід №5

Хід:Поставте відкриту пластмасову пляшку в холодильник. Коли вона досить охолоне, надягніть на її шийку не надута кулька. Потім, поставте пляшку в миску з гарячою водою. Поспостерігайте за тим, як кулька сама буде надуватися. Це відбувається тому що повітряпри нагріванні розширюється. Тепер знову поставте пляшку у холодильник. Кулька при цьому спуститься так як повітряпри охолодженні стискається.

Досвід №6

Ціль досвіду: Допомогти виявити властивість повітря(Пружність, зрозуміти, як може використовуватися сила повітря(Рух).

Хід:Вихованець пропонує дітям провести досвід з повітряною кулькою : подивитися, як він летітиме,якщо розв'язати нитку, яка утримує в ньому повітря. Діти за допомогою вихователя надувають повітряна куля , відпускають його та звертають увагу на траєкторію та тривалість його польоту. З'ясовують, що для того, щоб кулька довше летіла, треба її більше надути.

Досвід №7

Ціль: Вчити відображати наявні уявлення у перетворюючій діяльності Як можна грати з вітром.

Хід: Беруть квадратний аркуш паперу та надрізають його за заздалегідь нанесеними лініями. Відгинають куточки до центру, де кріплять їх до палички за допомогою шпильки, попередньо розмістивши між вертушкою та паличкою невелику бусинку. Для того, щоб вертушка виконала свою функцію в безвітряну погоду, необхідно бігати, взявши паличку в руки. Вертушка крутиться лише за наявності вітру.

Досвід №8

Ціль: Допомогти виявити, що теплий повітрялегше холодного і піднімається нагору.

Хід:Вихованець пропонує дітям порівняти температуру. повітряу кімнаті та біля теплих предметів. Визначити, де тепліше: на підлозі чи на дивані? Вихователь тримає термометр на підлозі, а потім на дивані. Діти переконуються, що що вище, то тепліше. Далі вихователь пропонує підійти до батареї. Протягніть руку вище батареї, нижче батареї. Де тепліше (Тепле вище батареї.)

Потім вихователь пропонує підійти до чайника із гарячою водою. Підняти руку та потримати її над водою. Діти переконуються, що водяна пара-гаряча. Теплий повітря легше за холодне. Теплий повітря піднімається вгорутому зверху тепліше.