Konvektion: Was ist das und wie funktioniert es?

Wärme ist auf der grundlegendsten Ebene die kinetische Energie von Atomen und Molekülen. Konvektion beeinflusst alles, von der Heizung Ihres Hauses bis hin zum Prozess der Wärmeübertragung in der Sonne.

Wenn ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas erhitzt wird, vibrieren die Atome oder Moleküle, aus denen es besteht, immer mehr; diese erhöhten Schwingungen erfordern mehr Volumen für jedes Atom/Molekül.

Bei einem Gas äußert sich dies nicht als "Vibration", sondern als erhöhte Geschwindigkeit der Teilchen und damit als erhöhter Druck auf den Gasbehälter. Aus diesem Grund sind die meisten Materialien erweitern wie sie erhitzt werden. Dies geschieht am stärksten in Gasen, aber auch in geringerem Maße in Flüssigkeiten und Feststoffen.

Wenn sich etwas ausdehnt, wird es weniger dicht; es gibt weniger Partikel und damit weniger Masse pro Volumeneinheit als zuvor. In Flüssigkeiten und Gasen (Flüssigkeiten) wird jedoch ein Bereich geringerer Dichte aufgrund des Einflusses der Schwerkraft aufsteigen und über den Bereichen höherer Dichte schweben. Diese beiden Konzepte, dass Wärme eine Dichteabnahme verursacht und Flüssigkeiten je nach Dichte auf- und absteigen, verbinden sich zu dem

Konvektion ist eine Methode der Wärmeenergieübertragung, bei der die Wärmeübertragung durch Flüssigkeitsbewegung erfolgt. Diese Fluidbewegung wird durch den Dichteunterschied zwischen heißeren Bereichen des Fluids und kühleren Bereichen verursacht. Diese Bewegungen heißen Konvektionsströme, und die konvektive Bewegung des Fluids dauert an, solange ein Temperaturunterschied zwischen den Regionen besteht.

Dieser Temperaturunterschied ist besonders stark, wenn sich auf einer Seite der Flüssigkeit eine Wärmequelle befindet, z. B. eine Heizung in der Nähe des Bodens eines Raums. Die warme Luft unten bewegt sich kontinuierlich nach oben, während die kühlere Luft zum Erwärmen nach unten und anschließend auch nach oben wandert. Die Luftbewegung verursacht kreisförmige Strömungen, die andauern, bis die Luft eine Gleichgewichtstemperatur erreicht; ein Glas Wasser bei Raumtemperatur hat im Allgemeinen keine konvektiven Strömungen, während ein Glas Wasser mit Eis darin konvektive Strömungen aufweist.

Konvektion wird oft als Kombination zweier physikalischer Prozesse beschrieben: Advektion und Diffusion. Advektion ist der Transport von Materie durch Schüttgutbewegungen, wie die Bewegung von Flussbettschlamm durch die Strömung des Flusses. Diffusion ist der Transport von Materie durch Partikelbewegung von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration, wie zum Beispiel die Bewegung von Farbstoffpartikeln, die sich durch ein Glas Wasser ausbreiten.

Da die Konvektion heißere Materie nach oben und kühlere Materie nach unten bewegt, geschieht dies sowohl durch Bewegung der Materie in Masse (Advektion) als auch in Partikelform (Diffusion).

Konvektion kann in Festkörpern definitionsgemäß nicht auftreten, da in Festkörpern keine Fluidströmung erzeugt werden kann (die Partikel können sich nicht relativ zueinander bewegen, sondern können nur an Ort und Stelle schwingen). Die Wärmeübertragung in Festkörpern erfolgt stattdessen durch Leitung oder die Übertragung von Schwingungsenergie von einem Atom oder Molekül in einem festen Kristall zu seinen Nachbarn. Ausnahmen gibt es bei weichen Feststoffen, bei denen sich die Partikel aneinander vorbei bewegen können.

Wenn Sie die Konvektion im Auge behalten, können Sie Ihr Haus effizienter heizen oder kühlen. Da heiße Luft dazu neigt, aufzusteigen und kühle Luft dazu neigt, abzusinken, hilft es, Heizungen näher am Boden und Klimaanlagen weiter oben zu platzieren.

Deckenventilatoren kann normalerweise in beide Richtungen arbeiten: entweder von oben nach unten blasen oder von unten nach oben blasen. Im Sommer ist es normalerweise hilfreich, Luft nach unten zu blasen, damit Sie die konvektive Brise spüren, die Ihre Haut kühlt. Luft nach oben ziehen ist im Winter hilfreich, weil es hilft, die heiße Luft aus der Höhe nach unten und in Richtung der Wände zu drücken, ohne direkt auf dich zu blasen.

Wenn Wasser abkühlt, zieht es sich zusammen und wird dichter wie die meisten anderen Substanzen. Wenn es jedoch auf etwa 4 Grad Celsius abkühlt, fängt es tatsächlich an, sich leicht auszudehnen. Wasser ist insofern ziemlich einzigartig, als seine feste Form, Eis, weniger dicht ist als seine flüssige Form. Obwohl es also im Allgemeinen dichter wird, wenn es abkühlt, kehrt sich dieser Trend ab einem bestimmten Punkt um und es beginnt sich bis zu seinem Gefrierpunkt bei 0 Grad Celsius auszudehnen. Dies hat einen Einfluss darauf, wie die Konvektion in einem zugefrorenen See funktioniert.

Wenn das Wasser in einem See abkühlt, sinkt es, wenn wärmeres Wasser aufsteigt, aber nur bis der ganze See 4 Grad Celsius hat. An dieser Stelle kehrt sich die Konvektion um: Das Wasser, das kühler als 4 Grad Celsius ist, hat eine geringere Dichte als das wärmere Wasser, was bedeutet, dass der obere Teil des Sees kälter wird als der Boden und das Eis Formen. Deshalb frieren Seen zuerst oben zu.

Die Sonne (wie auch die meisten Sterne) unterliegt einer internen Konvektion mit heißerem Plasma und kühlerem Plasma. Innerhalb der Konvektionszone der Sonne, die sich von ihrer äußeren Oberfläche nach innen erstreckt, wird die Wärmeenergie über Konvektionsströme vom heißen Sonneninneren in die kühleren Außenbereiche transportiert.

Dies schafft "Konvektionszellen“, das sind die dunklen und hellen Flecken, die Sie auf der Sonnenoberfläche sehen können. Die Lichtflecken sind Konvektionszellen aus heißem Plasma, das gerade aus dem Inneren aufgestiegen ist; die dunklen Flecken sind von Konvektionszellen des Plasmas, die abgekühlt sind und bald durch die Konvektionszone wieder nach unten fallen.

Diese dunklen und hellen Flecken werden manchmal auch als Sonnengranulat bezeichnet. Sie haben einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1.000 km (etwa die Länge des Staates Kalifornien) und bleiben nur etwa acht bis 20 Minuten an der Oberfläche. Zu jeder Zeit enthält die Oberfläche der Sonne etwa vier Millionen Körnchen!

Konvektion ist in der Meteorologie oder der Wetterforschung äußerst wichtig. Der Strom warmer und kühler Luft durch die Atmosphäre erzeugt unterschiedliche Wolkenformen sowie Gewitter, Tornados und Wetterfronten.

Etwas Öfen können durch Konvektion backen. Konvektionsöfen verwenden Ventilatoren und ein Absaugsystem, die die Luft im Ofen während des Backens zirkulieren lassen und heiße Luft direkt über das Essen blasen. Dadurch können die Speisen schneller und gleichmäßiger gegart werden, als wenn sie einfach in der Nähe der Heizelemente des Ofens platziert würden. Es macht auch das Innere des Ofens trockener und weniger feucht, was zum Bräunen von Speisen besser sein kann.

Das Magnetfeld der Erde wird durch Konvektionsströme in ihrem äußeren Erdkern verursacht. Im Zentrum der Erde befindet sich ein fester innerer Kern, umgeben von einem flüssigen äußeren Kern, der hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht. Beide Metalle sind gute Stromleiter. Die Konvektionsströme in dieser Flüssigkeitsschicht erzeugen im flüssigen Metall elektrische Ströme, die magnetische Felder erzeugen; die Summe dieser Magnetfelder ist das Erdmagnetfeld, das alle Kompasse auf den Nordpol zeigt und die Erde vor kosmischer Strahlung schützt.