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.
Mehr zu den einzelnen Formen der Wärmeübertragung erfährst Du in den gleichnamigen Erklärungen!
Diese Formen sind im Folgenden dargestellt:
Wenn Wärme als elektromagnetische Strahlung übertragen wird, sprichst Du von Wärmestrahlung. Dies ist Strahlung aus dem infraroten Spektralbereich, die jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts ausstrahlt. Als elektromagnetische Strahlung benötigt Wärmestrahlung auch kein Medium, um sich auszubreiten. Dadurch ist es möglich, dass die Erde durch Sonnenstrahlen aufgewärmt wird.
In Feststoffen hingegen wird Wärme durch die Wärmeleitung weitergegeben. Ein Beispiel dafür ist die Wärmeleitung in Metallen: Da die Metallatome an ihren Gitterplätzen festsitzen, können sie lediglich an ihren Positionen schwingen. Wenn ein Metall erhitzt wird, steigt seine Temperatur und damit die kinetische Energie der Atome. Die Atome werden somit zum Schwingen angeregt.
Daraufhin regen sie die benachbarten Atome ebenfalls zu Schwingungen an. Auf diese Weise wird kinetische Energie im Metall weitergegeben und die Temperatur steigt – das Metall wird wärmer.
Die dritte Form der Wärmeübertragung ist Konvektion.
Wärmekonvektion – Konvektion Definition
Konvektion kann in Gasen oder Flüssigkeiten auftreten. Diese werden, da sie oftmals ähnliches Verhalten aufweisen, als Fluide zusammengefasst. In Fluiden wird Wärme durch Konvektion übertragen.
Konvektion bezeichnet den Transport von Teilchen durch die Strömung eines Fluids. Bei der Wärmekonvektion wird Wärme durch Strömungen übertragen.
Die Konvektion ist eng mit der Diffusion verbunden, die bei Konzentrationsunterschieden auftritt. Wenn Du Dich für Diffusion interessierst, dann schau doch in der gleichnamigen Erklärung vorbei!
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:
Sagen wir mal, Du möchtest Nudeln zubereiten. Dazu stellst Du einen Topf voll mit Wasser auf die Herdplatte, gibst Salz hinzu und machst die Herdplatte an. Die Herdplatte erwärmt sich. Diese Wärme wird zunächst auf den Topf übertragen, dessen Wände sich erhitzen.
Dann wird die Wärme von den Topfwänden auf die Wassermoleküle im Topf übertragen. Zuerst werden die Moleküle erwärmt, die den Wänden am nächsten sind. Dabei erhöht sich ihre kinetische Energie und sie bewegen sich schneller:
Die aufgewärmte Wassermasse steigt dabei nach oben. Kälteres Wasser sinkt wiederum nach unten, wo es erwärmt wird und anschließend wieder hochsteigt.
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.
Die Dichte \(\rho\) eines Fluids gibt die Masse\(m\) in einem bestimmten Volumen \(V\) an:
$$\rho=\frac{m}{V}$$
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.
Konvektion wird durch Dichteunterschiede verursacht, die wiederum auf Temperaturänderungen oder -unterschiede zurückzuführen sind.
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:
Diese Beobachtung konnte auch mit anderen Flüssigkeiten reproduziert werden, bei denen sowohl ein Dichte- als auch ein Temperaturunterschied besteht.
Wird der heiße Espresso in die warme Milch gekippt, so findet wegen des Temperaturunterschieds Konvektion statt. Die beiden Flüssigkeiten vermischen sich vorerst. Sobald sich aber die Temperaturen vom Espresso und der Milch aneinander angeglichen haben, findet keine Konvektion mehr statt. Allerdings verteilen sich die Teilchen erneut um, denn die beiden Flüssigkeiten haben unterschiedliche Dichte.
Milch besteht aus schwereren Molekülen als Espresso und hat somit eine höhere Dichte.
Wegen des Dichteunterschiedes „drücken“ die Milchmoleküle die Espresso-Teilchen wieder nach oben und es entsteht die schichtförmige Struktur. Dieses Verhalten wird als doppelt diffuse Konvektion bezeichnet.
Doppelt diffuse Konvektion entsteht, wenn zwei Ursachen für den Dichteunterschied bestehen.
Beispielsweise wird beim Latte macchiato der Dichteunterschied einerseits durch die Temperaturdifferenz der beiden Flüssigkeiten und andererseits durch ihre molekulare Zusammensetzung verursacht.
Wärmekonvektion – Konvektion Beispiele
Konvektion kann also in allen Flüssigkeiten und Gasen auftreten, in denen auch Temperaturunterschiede vorliegen. Wasser wird etwa in einem Topf durch Konvektion erwärmt. Werden wiederum zwei – nicht vermischte – Flüssigkeiten verwendet, die unterschiedliche Dichte aufweisen, so kann doppelt diffuse Konvektion stattfinden. Dies ist der Fall in einem Latte macchiato. Doch welche Beispiele für Konvektion können uns im Alltag noch begegnen?
Konvektion Wolke
Zum Beispiel werden Wolken durch Konvektion gebildet.
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!
Wärmekonvektion – Das Wichtigste
- Wenn Energie in Form von Wärme übertragen wird, dann handelt es sich um Wärmeübertragung. Es gibt drei Formen der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.
- Wärmeleitung findet in Metallen statt und wird durch Schwingungen weitergegeben.
- Bei Wärmestrahlung wird Energie als elektromagnetische Welle weitergegeben.
- Wärmekonvektion findet in Fluiden statt. Diese kann entweder erzwungen sein (z. B. durch eine Pumpe) oder auf natürlichem Weg auftreten. Letzteres nennst Du freie Konvektion.
Als Konvektion bezeichnest Du den Transport von Teilchen durch Strömungen. Bei der Wärmekonvektion wird Wärme also durch Strömungen übertragen.
Konvektion wird durch Dichteunterschiede verursacht, die entweder durch Temperaturunterschiede oder auch aufgrund der Stoffzusammensetzung bei Mischungen bestehen.
Bei der Konvektion wird Wärme diffus verteilt, bis der Dichteunterschied ausgeglichen ist.
Doppelt diffuse Konvektion findet statt, wenn der Dichteunterschied durch zwei Faktoren verursacht wird.
Konvektion hilft bei der Entstehung von Wolken oder beim Heizen.
Nachweise
- Peter Atkins, Julio de Paula (2014). Atkins' Physical Chemistry. Oxford University Press.
- https://www.energie-lexikon.info/konvektion.html (24.09.2022)
- Xue, N. et al. (2017) Laboratory layered latte. Nature Communications.
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