Wärmelehre

Konvektion

Wenn du dir morgens nach dem Duschen deine Haare föhnst, dann machst du dir die Konvektion zu Nutze. Wie genau du das machst, lernst du in diesem Beitrag.

Konvektion, oder auch Wärmeströmung, ist eine Methode der energetischen Wärmeübertragung von einem Ort zu einem anderen. Anders als bei der Wärmeleitung, muss beim konvektiven Wärmeübergang nicht nur ein stofflicher Träger vorhanden sein, welcher die Energie transportiert. Er muss zusätzlich auch strömungsfähig sein. Die Wärmeenergie wird dann zusammen mit dem Stoff transportiert. Deshalb wird die Konvektion auch als Wärmeströmung bezeichnet. Typische strömungsfähige Fluide sind Luft oder Wasser.

Das Wort Konvektion leitet sich vom lateinischen Wort „convehere“ ab, was soviel bedeutet wie „zusammentragen“ bzw. „zusammenmischen“.

Konvektion – Definition und Voraussetzungen

Allgemeines zum Wärmeübergang und Konvektionsstrom

Bei der Konvektion nimmt ein strömendes Fluid Wärme entweder auf oder gibt sie ab. Dazu überströmt es die Oberfläche eines anderen Mediums wodurch es zu einer Angleichung der Temperaturen kommt. Das andere Medium kann dabei entweder ein Festkörper sein oder ebenfalls ein Fluid. Sind beide Medien Fluide, erfolgt zusätzlich ein Stoffaustausch. Dies ergibt sich durch eine einfache Vermischung der beiden Fluide. Noch wichtiger ist die Frage, welche Kraft für die Konvektion verantwortlich ist. Hier spricht man dann entweder von freier oder gezwungener Konvektion.

Und genau diese Unterscheidungen schauen wir uns jetzt genauer an!

Konvektion ohne Stoffaustausch

Eine Konvektion ohne Stoffaustausch tritt dann auf, wenn ein Fluid beim Überströmen der Oberfläche eines Festkörpers entweder Wärme abgibt oder aufnimmt. Dies bildet auch den einfachsten Fall der Konvektion ab, da die Grenzfläche des Festkörpers statisch ist und die Konvektion deshalb einen reinen Wärmeaustausch darstellt. Bei der Überströmung der Oberfläche stellt sich eine Grenzschicht ein, welche von der Zusammensetzung der beiden Stoffe, also beispielsweise der Konzentration, der Temperatur oder der Strömungsgeschwindigkeit, abhängig ist. In dieser thermischen Grenzschicht erfolgt der nichtlineare Wärmetransport im Fluid zum oder vom Festkörper. Im Falle einer Konvektion zwischen einem Festkörper und einem Fluid ist darüber hinaus die Identifizierung der Grenzschichten leichter als bei der Konvektion zwischen zwei Fluiden.

Konvektion, Stoffaustausch, Grenzschicht, nicht linearer Wärmetransport
Konvektion ohne Stoffaustausch

Konvektion mit Stoffaustausch

Überströmt ein Fluid nun ein anderes Fluid mit unterschiedlicher Temperatur, dann treten sowohl ein Wärme- als auch ein Stoffaustausch auf. In diesem Fall erfolgt zum einen eine Angleichung der Stoffzusammensetzung und zum anderen gehen die Grenzschichten fließend ineinander über. Überströmt das Fluid ein Stoffgemisch oder Feststoff mit einem geringeren Sättigungsdampf- oder Sublimationsdruck, kommt es auch zu einem Stoffaustausch, da der Dampf- oder Sublimationsdruck der Feststoffs überschritten wird. Der Stoff diffundiert in das Fluid. Ein Beispiel hierfür wäre die Trocknung.

Konvektion, Stoffaustausch, Fluide, Grenzschichten
Konvektion mit Stoffaustausch

Freie Konvektion

Als nächstes untersuchen wir, welche Kräfte für die Entstehung der Strömung verantwortlich sind. Sind dies keine äußeren Einflüsse, sondern beispielsweise die Schwerkraft, Temperatur- oder Dichteunterschiede, dann sprechen wir von der freien oder natürlichen Konvektion.

Sonderfall: Die Rayleigh-Bénard-Konvektion

Ein Sonderfall der freien Konvektion ist die Rayleigh-Bénard-Konvektion. Sie ist ein natürliches Phänomen, das im Zentrum flacher, horizontaler Fluide auftritt, sobald eine kritische Temperatur erreicht wird.

Stelle dir zum Beispiel einen Kochtopf mit Wasser vor, der auf dem Herd erwärmt wird. Die kritische Temperatur beschreibt dann diejenige Temperatur, bei welcher das Wasser im Kochtopf durch den Temperaturunterschied zwischen Topfboden und Oberfläche zu strömen anfängt. Bei dem Prozess dehnt sich die Flüssigkeit an der warmen Unterseite aus und steigt aufgrund der geringeren Dichte in der Mitte auf. Anschließend kühlt sie sich an der Oberfläche wieder ab und sinkt mit erhöhter Dichte am Rand des Topfes hinab. Für diese Art der Konvektion sind also Dichteunterschiede des Wassers verantwortlich.

Sonderfall: Die Rayleigh-Bénard-Konvektion

Die Marangoni-Konvektion

Ein weiterer Sonderfall der freien Konvektion ist die Marangoni Konvektion. Bei ihr entsteht die Strömung nicht durch Dichteunterschiede, sondern durch Unterschiede in der Oberflächenspannung.  Ein einfaches Beispiel hierfür ist eine angezündete Kerze:

Das Wachs, welches sich näher an der Flamme befindet, ist wärmer als das Wachs am Rand der Kerze. Die Oberflächenspannung nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab, sodass die Oberflächenspannung des Wachses am Rand höher ist, als in der Mitte. Einfach gesagt wird dann die Oberfläche aus der Mitte der Kerze zum Rand gezogen, und nimmt oberflächennahes Wachs mit. Dadurch entsteht eine Kreisbewegung, also eine Strömung.

Sonderfall: Die Marangoni-Konvektion

Weitere Beispiele zur freien Konvektion

Das Potential der freien Konvektion lässt sich sehr gut an einem Aufwindkraftwerk erkennen.

Hierbei wird über einen durchsichtigen Sonnenkollektor die Luft tagsüber am Boden erwärmt und die Druckdifferenz gegenüber der Außenluft genutzt. Es entsteht thermischer Auftrieb, der die warme Luft vom Boden nach sich zieht und zum Antrieb von Turbinen genutzt werden kann. Dabei wird die mechanische Energie in elektrische umgewandelt. Je größer die Temperaturunterschiede und je höher der Turm und die damit verbundenen Druckunterschiede, desto besser ist die Leistung des Aufwindkraftwerks.

Konvektion: Das Aufwindkraftwerk

Erzwungene Konvektion

Sind äußere Kräfte für die Strömung des Fluids verantwortlich, dann spricht man von der gezwungenen Konvektion. Und genau diese schauen wir uns jetzt zum Schluss noch an. Äußere Kräfte können etwa Pumpen oder Gebläse sein. Sie sorgen für Druckunterschiede und damit für konvektive Ströme in einem Fluid.

Parallel zur erzwungenen Konvektion tritt fast immer auch die natürliche Konvektion auf, welche aber im Angesicht der erzwungenen in den meisten Fällen vernachlässigt werden kann.

Beispiel zur erzwungenen Konvektion

Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Kühlung deines Computers. Während du diesen Beitrag liest, bläst ein Lüfter die Luft durch deinen Computer, um unter anderem deinen Prozessor zu kühlen. Dieser Lüfter erzeugt einen Luftstrom und ruft somit Konvektion hervor.

Konvektion zur Kühlung eines PCs

Auch morgens nach dem Duschen machst du dir erzwungene Konvektion zu Nutze. Trocknest du dir mit einem Fön deine Haare, dann wird durch das Gebläse im Fön ein Luftstrom erzeugt, der wiederum Konvektion hervorruft.

Sehr gut! Nun kennst du die Konvektion und ihre Unterscheidungsmöglichkeiten als eine Form des Wärmetransports. Viel Spaß beim Lernen.

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