Konvektive Wärmeübertragung, oft einfach als Konvektion bezeichnet, ist die Übertragung von Wärme von einem Ort zum anderen durch die Bewegung von Flüssigkeiten. Konvektion ist normalerweise die dominierende Form der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen.
Konvektion tritt auf, wenn wärmere Bereiche einer Flüssigkeit oder eines Gases zu kühleren Bereichen in der Flüssigkeit oder dem Gas aufsteigen. Kühlere Flüssigkeit oder Gas tritt dann an die Stelle der höher gestiegenen wärmeren Bereiche. Dadurch entsteht ein kontinuierliches Zirkulationsmuster.
Konvektion ist ein Wärmeübertragungsprozess. Wenn Ströme erzeugt werden, wird die Materie von einem Ort zum anderen bewegt. Auch dies ist also ein Stoffaustauschprozess.
Konvektion ist der Wärmefluss durch eine makroskopische Massenbewegung von Materie von einer heißen Region zu einer kühlen Region, im Gegensatz zur mikroskopischen Wärmeübertragung zwischen Atomen, die an der Leitung beteiligt sind.
Angenommen, wir erwägen die Erwärmung eines lokalen Bereichs der Luft. Wenn sich diese Luft erwärmt, breiten sich die Moleküle aus, wodurch dieser Bereich weniger dicht wird als die umgebende, nicht erwärmte Luft. Da die heiße Luft weniger dicht ist als die umgebende kühlere Luft, steigt sie anschließend aufgrund von Auftriebskräften auf – diese Bewegung heißer Luft in einen kühleren Bereich soll dann Wärme durch Konvektion übertragen.
Das Kochen von Wasser in einer Pfanne ist ein gutes Beispiel für die Übertragung von Wärme durch Konvektion. Wenn der Ofen zum ersten Mal eingeschaltet wird, wird die Wärme zunächst durch Wärmeleitung zwischen den Elementen durch den Boden des Topfes auf das Wasser übertragen. Irgendwann beginnt das Wasser jedoch zu sprudeln, diese Blasen sind eigentlich lokale Bereiche von heißem Wasser, das an die Oberfläche steigt und dabei durch Konvektion Wärme vom heißen Wasser unten auf das kühlere Wasser oben überträgt. Gleichzeitig sinkt das kühlere, dichtere Wasser oben nach unten, wo es anschließend erhitzt wird.
Ein weiteres gutes Beispiel für Konvektion ist die Atmosphäre. Die Erdoberfläche wird durch die Sonne erwärmt, die warme Luft steigt auf und kühle Luft strömt nach.
Natürlich auftretende Konvektion wird als natürliche Konvektion oder freie Konvektion bezeichnet. Wenn eine Flüssigkeit mit einem Ventilator oder einer Pumpe umgewälzt wird, spricht man von erzwungener Konvektion. Die durch Konvektionsströme gebildete Zelle wird als Konvektionszelle oder Benard-Zelle bezeichnet.
Ein weiteres wichtiges Beispiel für Konvektionsströmungen ist die Erzeugung von Brisen über Landmassen neben großen Wasserflächen. Wasser hat eine größere Wärmekapazität als Land und hält daher Wärme besser. Es dauert daher länger, seine Temperatur zu ändern, entweder nach oben oder nach unten. Daher ist tagsüber die Luft über dem Wasser kühler als über dem Land. Dadurch entsteht ein Tiefdruckgebiet über dem Land im Verhältnis zum Hochdruckgebiet über dem Wasser, und anschließend findet man Winde, die vom Wasser zum Land wehen. Andererseits kühlt sich das Wasser in der Nacht langsamer ab als das Land und die Luft über dem Wasser ist etwas wärmer als über dem Land. Dadurch entsteht ein Tiefdruckgebiet über dem Wasser im Verhältnis zum Hochdruckgebiet über dem Land, und Brisen wehen vom Land zum Wasser.
Arten der Wärmekonvektion
Es gibt drei Arten von Wärmekonvektion – natürlich, erzwungen und gemischt.
- Erzwungene Konvektion – In einem Fall kann Wärme passiv durch Flüssigkeitsbewegung getragen werden, was auch ohne den Erwärmungsprozess ein Wärmeübertragungsprozess auftreten würde, der lose als erzwungene Konvektion bezeichnet wird.
- Natürliche Konvektion - Im anderen Fall kann die Erwärmung selbst dazu führen, dass sich die Flüssigkeit durch Expansions- und Auftriebskräfte bewegt, während gleichzeitig durch diese Bewegung Wärme transportiert wird - ein Prozess, der lose als natürliche Konvektion oder freie Konvektion bekannt ist.
- Gemischte (kombinierte) Konvektion ist eine Kombination aus erzwungener und freier Konvektion, was der allgemeine Fall von Konvektion ist, wenn eine Strömung gleichzeitig sowohl durch ein äußeres Antriebssystem (dh äußere Energiezufuhr zum fluidstromlinienförmigen Körpersystem) als auch durch ein inneres volumetrisches ( Massenkräfte, nämlich durch die ungleichmäßige Dichteverteilung eines flüssigen Mediums in einem Schwerefeld.
Einige alltägliche Beispiele natürlicher Konvektion
- Kochendes Wasser – Auch das Kochen von Wasser in einer Schüssel funktioniert nach dem Konvektionsprinzip. Wenn das Wasser erhitzt wird, dehnen sich die Wassermoleküle aus und bewegen sich im Topf. Dadurch wird Wärme auf andere Teile des Topfes übertragen und das kalte Wasser beginnt zu sinken, während das warme Wasser steigt.
- Ein einfaches Beispiel für Konvektionsströmungen ist warme Luft, die zur Decke oder zum Dachboden eines Hauses aufsteigt . Warme Luft hat eine geringere Dichte als kühle Luft, steigt also auf.
- Der Wind ist ein Beispiel für eine Konvektionsströmung. Sonnenlicht oder reflektiertes Licht strahlt Wärme aus und erzeugt einen Temperaturunterschied, der die Luft in Bewegung versetzt. Schattige oder feuchte Bereiche sind kühler oder können Wärme aufnehmen, was den Effekt noch verstärkt. Konvektionsströme sind Teil dessen, was die globale Zirkulation der Erdatmosphäre antreibt.
- Dampfende Tasse heißes Getränk – Sie haben vielleicht schon einmal beobachtet, dass Dampf aus einer Tasse heißen Tee oder Kaffee austritt. Durch die Wärme der Flüssigkeit steigt die warme Luft nach oben. Diese warme Luft ist Dampf.
- Eisschmelze – Wärme gelangt aus der Luft zum Eis. Dies bewirkt das Schmelzen von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit.
- Heißluftballon – Eine Heizung im Inneren des Ballons erwärmt die Luft und bewegt die Luft nach oben. Dadurch steigt der Ballon auf, weil die heiße Luft im Inneren eingeschlossen wird. Wenn der Pilot absteigen möchte, lässt er einen Teil der heißen Luft ab und kühle Luft nimmt ihren Platz ein, wodurch der Ballon sinkt.
- Auftauen von gefrorenem Material – Gefriergut taut unter kaltem, fließendem Wasser schneller auf, als wenn es in Wasser gelegt wird. Durch die Wirkung des fließenden Wassers wird die Wärme schneller in die Lebensmittel übertragen.
- Gewitter - Warmes Wasser aus den Ozeanen steigt in die Luft auf und verwandelt sich in gesättigte Wassertropfen, die Wolken bilden. Wenn dieser Prozess fortgesetzt wird, kollidieren die kleineren Wolken miteinander und es entstehen größere Wolken. Beim Erreichen des letzten Wachstumsstadiums bilden sich Cumulonimbus-Wolken oder Gewitter.
Konvektion in Meteorologie und Geologie
- Mantelkonvektion – Der felsige Erdmantel bewegt sich langsam aufgrund der Konvektionsströme, die Wärme aus dem Erdinneren an die Oberfläche übertragen. Aus diesem Grund bewegen sich die tektonischen Platten allmählich um die Erde. Heißes Material wird an den wachsenden Rändern einer Platte hinzugefügt und kühlt dann ab. An den Verbrauchsrändern verdichtet sich das Material, indem es sich durch die Hitze zusammenzieht und an einem Meeresgraben in die Erde absinkt. Dadurch wird die Bildung von Vulkanen ausgelöst.
- Ozeanische Zirkulation – Warmes Wasser um den Äquator zirkuliert in Richtung der Pole und das kühlere Wasser an den Polen bewegt sich in Richtung Äquator.
- Der Schornstein- oder Schornsteineffekt – Dies ist die Bewegung von Luft in und aus Gebäuden, Schornsteinen oder anderen Objekten aufgrund von Auftrieb. Der Auftrieb bezieht sich in diesem Fall auf die unterschiedliche Dichte der Luft zwischen der Innen- und der Außenluft. Die Auftriebskraft steigt durch die größere Höhe des Aufbaus und einen größeren Unterschied zwischen dem Wärmeniveau von Innen- und Außenluft.
- Konvektion eines Sterns - Ein Stern hat eine Konvektionszone, in der Energie durch Konvektion bewegt wird. Außerhalb des Kerns befindet sich eine Strahlungszone, in der sich Plasma bewegt. Ein Konvektionsstrom bildet sich, wenn das Plasma aufsteigt und das gekühlte Plasma absinkt.
- Gravitationskonvektion - Dies zeigt sich, wenn trockenes Salz nach unten in feuchten Boden diffundiert, weil Süßwasser in Salzwasser schwimmt.
- Konvektionsströmungen sind in der Sonne offensichtlich. Die in der Photosphäre der Sonne sichtbaren Körnchen sind die Spitzen von Konvektionszellen. Im Falle der Sonne und anderer Sterne ist das Fluid eher Plasma als eine Flüssigkeit oder ein Gas.
Erzwungene Konvektion
Hier wird ein externes Gerät wie ein Ventilator, eine Pumpe oder eine Absaugvorrichtung verwendet, um die Konvektion zu erleichtern.
Hier sind einige Beispiele für erzwungene Konvektion:
- Kühler - Beim Kühler befindet sich das Heizelement an der Unterseite der Maschine. Somit wird die warme Luft von diesem Heizelement durch kalte Luft ersetzt.
- Kühlschrank – Die Gefriereinheit wird oben platziert. Der Grund dafür ist, dass die warme Luft im Inneren des Kühlschranks aufsteigt, aber die kältere Luft im Gefrierbereich sinkt und den unteren Teil des Kühlschranks warm hält.
- Klimaanlage – Die Kühleinheit in einer Klimaanlage ist oben platziert. So steigt warme Luft zum Kühlaggregat auf, wird durch kalte Luft ersetzt und der Raum gekühlt.
- Heißluftpopper – Er hat einen Ventilator, ein Heizelement und eine Entlüftung. Wenn der Popper eingeschaltet ist, bläst der Lüfter Luft über die Entlüftung auf das Heizelement. Die Luft wird warm und steigt dadurch auf. Popcornkerne werden direkt über dem Heizelement platziert. Die heiße Luft steigt nach oben und die Popcornkerne werden erhitzt. So bekommen wir unser leckeres Popcorn.
- Konvektionsofen – In einem Konvektionsofen wird das Prinzip der erzwungenen Konvektion verwendet. Die Luft im Fach wird durch die Verwendung von Heizelementen zum Erhitzen gezwungen. Durch diese Erwärmung dehnen sich die Luftmoleküle aus und bewegen sich. Durch diese warme Luft werden die Speisen im Inneren gegart.
- Luftgekühlter Motor – Luftgekühlte Motoren werden durch Konvektionsströmungen in ihren Wasserleitungen gekühlt. Der Motor erwärmt sich bei längerem Lauf. Die abgeführte Wärme muss gekühlt werden, um den Motor am Laufen zu halten. Der Motor ist von einem beheizten Wassermantel abgedeckt. Aufgrund dieser Erwärmung fließt warmes Wasser durch die Rohre, die den Motor umgeben. Diese Rohre haben Ventilatoren, durch die das warme Wasser gekühlt wird. Dieses warme Wasser sinkt nach dem Konvektionsprinzip nach unten und kühlt so den Motor.
