Wärmekonvektion

Während in modernen Häusern oftmals eine Fußbodenheizung verbaut ist, sind in älteren Gebäuden noch Heizkörper zu finden. Schau Dich doch mal in Deinem Zimmer um – vielleicht steht auch da ein Heizkörper unter dem Fenster? Schau auch in die anderen Räume: Ist es nicht merkwürdig, dass der Heizkörper immer unter dem Fenster steht?

Warum das so ist und wie der Heizkörper überhaupt funktioniert, beantwortet Dir die Konvektion. Diese tritt nicht nur beim Heizen als freie Konvektion auf, sondern beispielsweise auch als doppelt diffuse Konvektion in einem Latte macchiato. Was diese Beispiele der Konvektion gemeinsam haben, erfährst Du genau hier!

Wärmekonvektion – Wärmeübertragung

Die Aufgabe vom Heizkörper ist, Wärme in den kalten Raum zu bringen. Damit dient er der Wärmeübertragung.

Diese Formen sind im Folgenden dargestellt:

Diese Strömungen können beispielsweise durch Pumpen oder Ventilatoren verursacht werden. In diesem Fall ist die Strömung – und entsprechend die Konvektion – erzwungen. Erzwungene Konvektion findet beispielsweise in Deinem Computer statt – Dein Prozessor wird nämlich von einem Lüfter gekühlt. Dasselbe Prinzip nutzt Du vielleicht sogar gelegentlich selbst: Wenn Du Dir im Sommer mit einem Ventilator Abkühlung schaffen möchtest, so erzwingst Du ebenfalls Konvektion.

Geschieht die Konvektion hingegen auf natürlichem Weg, so sprichst Du von freier Konvektion.

Freie Konvektion

Freie Konvektion kannst Du Dir am Beispiel von kochendem Wasser verdeutlichen:

Auf diese Weise geschieht also eine Durchmischung des Wassers: Der aufgewärmte Anteil wird durch Strömungen stets mit dem restlichen Wasser vermischt, wodurch die Gesamttemperatur steigt. Doch auf welchen Prinzipien beruht dieses Phänomen und wodurch wird es verursacht?

Diffuse Konvektion

Dass wärmere Flüssigkeit nach oben steigt und kältere Flüssigkeit sinkt, hat etwas mit der Schwerkraft zu tun – denn die Schwerkraft sorgt dafür, dass Objekte nach unten sinken. Ob sie dabei wirklich auf den Grund sinken oder auf einer bestimmten Höhe im Wasser schweben, wird durch ihr Gewicht bestimmt.

Geht es wiederum um keine Objekte, sondern Fluide, so ist es nicht sinnvoll von Gewicht zu sprechen. Vielmehr betrachtest Du in diesem Fall ihre Dichte.

Damit beschreibt die Dichte praktisch, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt.

Je höher die Temperatur eines Fluids, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Je schneller sich die Teilchen bewegen, desto weniger Teilchen nehmen dasselbe Volumen ein. Damit sinkt die Dichte bei steigender Temperatur und der aufgewärmte Anteil des Fluids steigt nach oben.

Wärmekonvektion findet so lange statt, bis die Temperaturunterschiede ausgeglichen sind. Dabei wird Wärme diffus weitergegeben – nicht etwa in eine bestimmte Raumrichtung, sondern vielmehr in alle Raumrichtungen, entlang denen ein Temperaturgefälle besteht. Existiert dabei mehr als nur ein Gefälle, so ist sie mehrfach diffus.

Doppelt diffuse Konvektion

Dass genau ein Dichteunterschied besteht, kannst Du Dir am Temperaturunterschied klarmachen. Der Temperaturunterschied ist nämlich der eine Faktor, der beim Kochen vom reinen Wasser die Dichte des Wassers beeinflusst. Doch wie genau ist es möglich, dass nicht nur ein, sondern beispielsweise zwei Dichteunterschiede auftreten?

Vielleicht hast auch Du selbst mal einen Latte macchiato getrunken. Dabei handelt es sich um ein italienisches Kaffeegetränk, das größtenteils aus Milch besteht und sich durch den farblichen Verlauf vom braunen Kaffee zur weißen Milch auszeichnet:

Abb. 3 - Latte Macchiato

Um den Farbverlauf zu erhalten, wird zuallererst Milch in das Glas gegossen – darauf folgt ein Espresso. Die farbigen Schichten kannst Du dabei einerseits dadurch erreichen, indem Du den Espresso vorsichtig in die kältere Milch gießt. Der heiße Espresso hat nämlich eine geringere Dichte als die kalte Milch, sodass er sich automatisch oben einfindet. Die kalte Milch wiederum verbleibt unten.

Forscher der Princeton University haben nun eine weitere Möglichkeit gefunden: Wird der Espresso zügig in die Milch gekippt, so mischt sich der Kaffee vorerst mit der Milch. Bleibt der Latte jedoch stehen und kühlt in Ruhe ab, so findet sich der Espresso auf der Oberseite wieder, während die Milch unten verbleibt:

Wenn das Sonnenlicht ein Gewässer erwärmt, können Wassermoleküle aus dem flüssigen Wasser als Wasserdampf in die Luft übergehen. Diese sogenannte Verdunstung kann allerdings nur dann auftreten, wenn nur wenig Wasserdampf in der Luft vorhanden – die Luft also trocken – ist.

Der Wasserdampf mischt sich mit der Luft oberhalb des Gewässers. Auf diese Weise entsteht feuchte Luft, die eine geringere Dichte als trockene Luft aufweist. Die aufgewärmte, feuchte Luft steigt dann auf. Mit zunehmender Höhe wird es allerdings auch zunehmend kälter. Deswegen kühlt die feuchte Luft ab, je höher sie steigt. An einem gewissen Punkt kondensiert die feuchte Luft und es bilden sich Wolken.

Konvektion Raumluft

Konvektion kannst Du aber auch im Winter bei Dir zu Hause beobachten, wenn Du bei kaltem Wetter die Heizung hochdrehst: An der Heizung wird die Raumluft erwärmt – ähnlich wie das Wasser im Kochtopf. Die warme Luft an der Heizung hat dabei eine geringere Dichte als die übrige Raumluft und steigt dabei durch Konvektion zur Decke:

Die warme Luft kühlt sich dann entlang der Wände wieder ab. Die kalte Luft sinkt zu Boden und wird an der Heizung wieder gewärmt, bevor der Kreislauf erneut von vorn beginnt. Doch ist es in diesem Fall nicht total ineffizient, wenn der Heizkörper genau unter dem Fenster steht?

Ganz im Gegenteil!

Kalte Luft sammelt sich am Boden. Tritt nun kalte Luft durch das Fenster ein, so würde auch sie zu Boden sinken. Wenn der Heizkörper allerdings genau unter dem Fenster steht, dann vermischt sich die eintretende Luft mit der erwärmten Luft und steigt mit auf. Dass die warme Luft dabei nicht wieder durch das Fenster entweicht, liegt an der Luftströmung: Die eintretende Luft reißt sie mit ihrem Strom in den Raum hinein.

Dies verhindert, dass die kalte Luft zu Boden sinkt und Du kalte Füße bekommst!