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Wärmekonvektion

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Physik

In diesem Artikel erfährst du mehr über die Konvektion. Wir erklären dir, was Konvektion ist, welche verschiedenen Arten es gibt und auch Beispiele aus dem Alltag. Dieser Artikel hilft dir dabei, sowohl theoretisches als auch praktisches Wissen in diesem Thema zu erlangen.

Dieser Artikel gehört zum Fach Physik und erweitert das Themengebiet Wärmelehre.

Was ist Konvektion überhaupt?

Hast du schon einmal den Begriff Konvektion gehört? Nein? Keine Sorge, die Konvektion hört sich schwieriger an, als sie eigentlich ist. Bestimmt kennst du es, wenn du im Sommer das Fenster öffnest und es im Raum langsam warm wird. Bei diesem Vorgang spielt unter anderem die Konvektion bzw. auch Wärmeströmung genannt eine Rolle. Die Konvektion gehört zusammen mit der Wärmestrahlung und Wärmeleitung zum Gebiet der Wärmeübertragung.

Die Konvektion bezeichnet den Vorgang, dass ein strömendes Fluid Wärme auf- bzw. abgibt. Das Fluid strömt hierbei über die Oberfläche von einem anderen Medium, dadurch kommt es zu einer Temperaturanpassung und es stellt sich eine mittlere Temperatur ein.

Jetzt weißt du was Konvektion überhaupt ist, aber Konvektion tritt in unterschiedlichen Formen auf. Im nachfolgenden Abschnitt lernst du die einzelnen Formen näher kennen.

  • Strömendes Fluid, welches Wärme auf- bzw. abgibt
  • Es stellt sich eine mittlere Temperatur ein

Arten der Konvektion

Konvektion tritt in sehr unterschiedlichen Formen auf. Hierbei wird hauptsächlich darin unterschieden, ob das andere Medium ein Festkörper oder Fluid ist. Neben dieser Unterscheidung musst du ebenso beachten, ob die Konvektion eine erzwungene Konvektion ist oder eine freie. Du siehst all diese Möglichkeiten und ihre Unterschiede weiter unten im Artikel. Bist du bereit zu starten?

Konvektion ohne Stoffaustausch

Als erste Konvektionsart schauen wir uns die Konvektion ohne Stoffaustausch an!

Bei der Konvektion ohne Stoffaustausch ist das überströmte Medium ein Festkörper. Dies führt dazu, dass beim Überströmen sich ein reiner Wärmeaustausch einstellt. Das bedeutet genauer gesagt, dass das überströmende Fluid sich nicht mit dem anderen Medium, also dem Festkörper, vermischt und nur Wärme auf- bzw. abgibt.

Bei diesem Vorgang stellt sich eine Grenzschicht zwischen beiden Medien ein, welche unter anderem von der Dichte, der Strömungsgeschwindigkeit aber auch von der Temperatur abhängig ist. Innerhalb dieser Grenzschicht herrscht eine nicht lineare Wärmeübertragung entweder vom Fluid an den Festkörper oder aber auch umgekehrt.

Wärmeströmung Festkörper, Grenzschicht und Luft als Fluid angegeben. Darstellung eines Systemes ohne Stoffaustausch. StudySmarterAbbildung 1: Darstellung eines Systems ohne Stoffaustausch

Deine Wand ist ein gutes Beispiel hierfür, die Luft von außen oder innen erwärmt bzw. kühlt deine Wand ab.

Konvektion mit Stoffaustausch

Als nächste Konvektionsart werfen wir mal einen Blick auf die Konvektion mit Stoffaustausch!

Konvektion mit Stoffaustausch findet nur zwischen zwei Fluiden statt, d. h. auch das Medium was überströmt wird, ist in diesem Fall ein Fluid. Dies führt dazu, dass neben der Wärmeübertragung auch eine Stoffvermischung auftritt. Hierbei kommt es zu einer Angleichung der Zusammensetzung beider Stoffe.

Wichtig ist auch zu wissen, dass sich die Grenzschichten beider Stoffe vermischen und ineinander übergehen. Beim Stoffaustausch spielt es eine Rolle, welcher der Fluide einen niedrigeren Sättigunsdampf- oder Sublimationsdruck besitzt. Dies hat den Hintergrund, dass bei dem Stoff bei welchem der Sättigungsdampf- oder Sublimationsdruck überschritten wird, dieser in das andere Fluid diffundiert, also übergeht.

Wärmeströmung Zwei Stoffe System, bei dem unten Wasser und oben Luft ist. Darstellung eines Systems mit Stoffaustausch. StudySmarterAbbildung 2: Darstellung eines Systems mit Stoffaustausch

Ein Beispiel für die Konvektion mit Stoffaustausch ist die Trocknung. Du kennst es vielleicht, wenn du dich nach dem Baden abtrocknest und dein Handtuch zum Trocknen aufhängst. Hierbei wird sich die Konvektion mit Stoffaustausch zunutze gemacht und dein Handtuch wird wieder komplett trocken.

Freie Konvektion

Neben der oben genannten Unterscheidung wird die Konvektion auch nach einem andere wichtigen Grundsatz unterschieden. Dieser ist, ob die Konvektion eine erzwungene Konvektion ist oder ob sie eine freie Konvektion ist.

Freie Konvektion, auch natürliche Konvektion genannt, bezeichnet die Art von Konvektion, bei welcher der Teilchentransport nur von natürlichen Faktoren bestimmt wird. Hiermit ist gemeint, dass ausschließlich der Temperaturunterschied verantwortlich ist für die Konvektion.

Der Temperaturunterschied zwischen dem Fluid und dem anderen Medium führt zu einem Dichteunterschied. In Folge des Dichteunterschiedes kommt es zu einem Auf- bzw. Abtriebs des Fluides und damit zu einer natürlichen Konvektion. Weiter gefasst kann man auch sagen, dass bei der natürlichen Konvektion auch der Einfluss der Schwerkraft und der Dichteunterschied zwischen zwei verschiedenen Medien eine Rolle spielt.

Freie Konvektion herrscht z. B. falls keine Pumpe oder Gebläse vorhanden ist, d. h. keinerlei äußere Einwirkungen da sind welche den Strömungsvorgang beeinflussen könnten.

Erzwungene Konvektion

Du hast oben die freie Konvektion schon etwas genauer kennengelernt. Das Gegenstück zur freien Konvektion ist die erzwungene Konvektion.

Die erzwungene Konvektion bezeichnet die Konvektion, welche nicht auf natürlichen Wege entsteht, sondern durch äußere Kräfte wie z. B. Pumpen und Gebläse künstlich geschaffen wird. Die Pumpen und Gebläse führen zu Druckunterschieden, dies führt dann zu einer erzwungenen Strömung bzw. Konvektion.

Neben der erzwungenen Konvektion tritt auch oft die freie Konvektion auf, jedoch kann man ihren Einfluss vernachlässigen, da der Einfluss sehr gering ist im Vergleich zu dem der erzwungenen Konvektion. Du siehst also, dass meistens beide Arten gleichzeitig auftauchten.

Ein Ventilator ist ein sehr gutes Beispiel für die erzwungene Konvektion. Der Ventilator ruft eine erzwungene Strömung auf, welche dann letztendlich Konvektion hervorruft.

Beispiele aus dem Alltag

Jetzt hast du die Grundlagen, um Praxisbeispiele besser verstehen zu können. Im Nachfolgenden kommen ein paar Beispiele aus dem Alltag und auch die dazugehörige Erklärung, warum denn überhaupt etwas so ist, wie es ist.

Fußbodenheizung in Häusern

Wärmeströmung Fussbodenheizung in Hellblau mit zwei Pfeilen und einem Haus. StudySmarter

In den meisten Häusern gibt es mittlerweile eine Fußbodenheizung. Auf welcher Art von Konvektion (freier oder erzwungener) beruht sie und ist dies eine Konvektion mit oder ohne Stoffaustausch?

Lösung

Eine Fußbodenheizung funktioniert nach dem Prinzip, dass die Luft an der Oberfläche vom Fußboden erwärmt wird. Durch dieses erwärmen kommt es zu einer Veränderung der Dichte und die erwärmte Luft steigt infolge dessen hoch und kältere Luft strömt nach und der Vorgang beginnt von neu. Du erkennst hierbei, dass dies eine freie Konvektion ist, weil keinerlei Gebläse oder Pumpe notwendig ist und die Luft nur infolge des Temperaturunterschiedes strömt.

Aber mit was für einem Medium haben wir es hierbei zu tun? Eine Fußbodenheizung ist ein Festkörper, also kein Fluid, dies gibt uns den entscheidenden Tipp. Mit diesem Hinweis siehst du, dass wir es hier mit einer Konvektion ohne Stoffaustausch zu tun haben.

Ein offenes Fenster in deinem Zimmer

Wärmeströmung Fenster mit Sonne und Rollo. StudySmarter

Du öffnest an einem sehr heißen Sommertag dein Fenster und merkst mit der Zeit, dass es auch in deinem Zimmer immer wärmer wird. Mit welcher Art von Konvektion haben wir es hier zu tun und findet diese mit oder ohne Stoffaustausch vonstatten?

Antwort

Wir haben es hier mit einer freien Konvektion zu tun, da die Außenluft von außen ohne andere externe Faktoren in den Raum strömt . Sowohl die Innenluft als auch die Außenluft sind beides Fluide. Dies hat als Folge, dass wir es hier neben einem Wärmeaustausch auch mit einem Stoffaustausch zu tun haben. Du siehst also, dass wir hier eine freie Konvektion mit Stoffaustausch haben.

Der Lüfter in deinem Computer

Wärmeströmung CPU Kühler in der Farbe türkis und Gehäuse in Farbe Grau. StudySmarter

Du hast einen Computer, in welchem ein Lüfter verbaut ist, der den Prozessor kühlen soll. Welche Art von Konvektion herrscht hier?

Antwort

Der Kühler ist hierbei ein Gebläse, welches eine Strömung produziert. Diese Strömung hat als Ziel den Prozessor abzukühlen. Da die Konvektion, also die Strömung welche am Prozessor ankommt, künstlich mithilfe des Gebläses produziert wurde, kannst du erkennen, dass wir es hier mit einer erzwungenen Strömung zu tun haben.

Wie auch beim obigen Beispiel haben wir es hier wieder mit einem Festkörper, dem Prozessor, zu tun. Daraus kann man erkennen, dass wir hier eine Konvektion ohne Stoffaustausch haben.

Neben diesen Beispielen gibt es noch viele viele weitere Fälle im Alltag, wo du Konvektion entdecken kannst. Schau doch mal zu Hause nach und such nach weiteren Beispielen. Du wirst bestimmt noch einige entdecken...

Konvektion - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Konvektion bezeichnet den Vorgang, dass ein strömendes Fluid Wärme auf- bzw. abgibt
  • Konvektion ohne Stoffaustausch ist zwischen Fluid und Festörper
  • Konvektion ohne Stoffaustausch ist zwischen Fluid und anderem Fluid
  • Freie Konvektion wird nur durch natürliche Vorgänge hervorgerufen
  • Erzwungene Konvektion wird durch externe Faktoren, wie z.B. Pumpen und Gebläsen, hervorgerufen

Wärmekonvektion

Die Konvektion bezeichnet den Vorgang, dass ein strömendes Fluid Wärme auf- bzw. abgibt. Das Fluid strömt hierbei über die Oberfläche von einem anderen Medium, dadurch kommt es zu einer Temperaturanpassung und es stellt sich eine mittlere Temperatur ein.

Konvektion funktioniert mit einem strömenden Fluid, welches entweder über einen Festkörper strömt oder über ein anderes Fluid. Hierbei kann es, je nach anderem Medium, zu einer Konvektion mit oder ohne einem Stoffaustausch kommen.

Wärmeleitung ist die Leitung von Wärme im Material, dadurch läuft die Wärmeleitung mithilfe von Atomen im Körper ab. Diese Atome bewegen sich im Körper und transportieren somit die Wärme. Die Konvektion hingegen bezeichnet die Wärmeströmung mithilfe eines strömenden Fluides und einem anderen Medium, dieses kann sowohl ein Festkörper sein, aber auch ein anderes Fluid.

Die erzwungene Konvektion kann verhindert werden, indem man keinerlei Gebläse und Pumpen nutzt. Die natürliche Konvektion hingegen kann man nicht zu 100 % verhindern, da immer Temperaturunterschiede, die Schwerkraft und Dichteunterschiede auf der Erde eine Rolle spielen. Im Weltall könnte man, wenn man den Temperaturunterschied wegnehmen würde und Fluide mit derselben Dichte hätte im Vakuum einen Zustand erreichen, bei welchem keine Konvektion herrscht.

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