Konvektion: freie und erzwungene Wärmeübertragung
Konvektion ist die Wärmeübertragung durch strömende Materie. Diese Einheit behandelt ihren Antrieb, die Medien, in denen sie vorkommt, und die Größen, die sie fördern oder bremsen.
Das Wichtigste in Kürze
- Konvektion ist Wärmeübertragung durch strömende Materie und damit immer an Materietransport gebunden.
- Freie Konvektion braucht einen Temperaturgradienten: Erwärmte Bereiche geringerer Dichte steigen durch Auftrieb auf, unter Schwerelosigkeit fehlt dieser Antrieb.
- Konvektion tritt nur in Fluiden auf: Flüssigkeiten, Lösungen, flüssigen Metallen sowie realen und idealen Gasen.
- In Festkörpern wie festem Gold und im Vakuum gibt es keine Konvektion.
- Hohe spezifische Wärmekapazität und hohe Strömungsgeschwindigkeit fördern den konvektiven Wärmetransport, große Viskosität bremst ihn.
- Erzwungene Konvektion durch Rühren gleicht Temperaturen aus und lässt Eis in Wasser schneller schmelzen.
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Worum es geht
Wärme gelangt auf drei Wegen von warm nach kalt: durch Leitung, durch Strahlung und durch Konvektion. Bei der Konvektion nimmt strömende Materie die Wärme mit. Sie erklärt, warum ein Wasserbad gleichmäßig warm wird und warum man im Labor beim Temperieren rührt.
Mechanismus
Konvektion ist ein Mechanismus des Wärmetransports. Die Wärme reist dabei mit der Materie. Ein Fluidpaket nimmt an einer warmen Stelle Energie auf und strömt weiter. An einer kälteren Stelle gibt es die Energie wieder ab. Konvektion ist deshalb immer an Materietransport gebunden.
Darin unterscheidet sie sich von der Wärmeleitung. Dort geben benachbarte Teilchen Energie durch Stöße weiter, ohne selbst den Ort zu wechseln. Bei der Wärmestrahlung trägt elektromagnetische Strahlung die Energie, ganz ohne Materie.
Wärmeübertragung durch eine Strömung, die Energie mit der bewegten Materie mitführt. Auch die Strömung selbst, die beim einseitigen Erwärmen einer Flüssigkeit in Gang kommt, heißt Konvektion.
Ein ähnlich klingender Begriff gehört nicht hierher. Konvergenz bedeutet Annäherung oder Zusammenlaufen und ist kein Mechanismus des Wärmetransports.
Freie Konvektion
Bei der freien Konvektion entsteht die Strömung von selbst. Voraussetzung ist ein Temperaturgradient im Fluid. Wird eine Flüssigkeit an einer Stelle erwärmt, dehnt sie sich dort aus. Ihre Dichte sinkt. Der leichtere Bereich erfährt im kälteren, dichteren Umfeld Auftrieb und steigt nach oben. Kälteres Fluid sinkt nach und füllt den frei gewordenen Platz.
So entsteht eine geschlossene Konvektionswalze. Im Becherglas auf der Heizplatte steigt warmes Wasser in der Mitte auf. Oben wandert es zur Seite, kühlt ab und sinkt am Rand wieder nach unten.
Im großen Maßstab bewegt derselbe Vorgang Luftmassen in der Erdatmosphäre. Vom Boden erwärmte Luft steigt auf, kältere strömt nach. Daraus entstehen Aufwinde und Wind.
Der Antrieb ist also der Auftrieb, und Auftrieb gibt es nur mit Schwerkraft. Unter Schwerelosigkeit findet deshalb keine freie Konvektion statt. Warme und kalte Bereiche bleiben nebeneinander liegen. In einer Raumstation muss ein Ventilator die Luft umwälzen.
Medien
Konvektion setzt voraus, dass sich Materie als Ganzes verschieben lässt. Das können nur Fluide, also Flüssigkeiten und Gase. Ihre Teilchen sind an keine festen Plätze gebunden.
| Medium | Konvektion | Begründung |
|---|---|---|
| Flüssigkeiten, z. B. Wasser | ja | Teilchen frei verschiebbar |
| Lösungen, z. B. Kochsalzlösung | ja | verhalten sich wie Flüssigkeiten |
| Flüssige Metalle, z. B. Quecksilber | ja | Schmelze ist ein Fluid |
| Reale Gase, z. B. Luft | ja | Gas strömt |
| Ideale Gase | ja | Modellteilchen haben Masse und strömen |
| Feste Stoffe, z. B. festes Gold oder Silber | nein | Teilchen im Gitter fixiert, nur Leitung |
| Vakuum | nein | keine Materie, nur Strahlung |
Entscheidend ist der Aggregatzustand, nicht der Stoff. Ein festes Edelmetall wie Gold leitet Wärme sehr gut, aber eben nur durch Leitung. Als Schmelze kann dasselbe Metall Wärme konvektiv transportieren. Im Vakuum fehlt jede Materie, die strömen könnte. Dort bleibt allein die Strahlung.
Das ideale Gas vernachlässigt Eigenvolumen und Wechselwirkungen der Teilchen, nicht aber ihre Masse. Ideale Gase strömen daher und übertragen Wärme ebenso durch Konvektion wie reale Gase.
Einflussgrößen und Rühren
Wie viel Wärme eine Strömung transportiert, hängt vor allem von zwei Größen ab. Die spezifische Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie jedes Kilogramm Fluid pro Kelvin aufnimmt. Die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, wie schnell frisches Fluid an die warme Fläche nachkommt. Ein Kühlmittel mit hoher Wärmekapazität und hoher Umlaufgeschwindigkeit kühlt daher besonders wirksam.
Eine große Viskosität wirkt dagegen. Zähe Flüssigkeiten strömen träge, und der Transport sinkt. Für ein umgepumptes Kühlmittel ist ein großer Volumenausdehnungskoeffizient kein wichtiges Kriterium.
Auch das umgebende Medium zählt. Ein Körper in einer Flüssigkeit tauscht konvektiv mehr Wärme aus als an Luft. Ähnlich wirkt ein Inertgas unter hohem Druck im Vergleich zu Luft bei Normaldruck, denn es enthält mehr Masse pro Volumen.
Erzwungene Konvektion
Bei der erzwungenen Konvektion bewegt eine äußere Kraft das Fluid. Das kann ein Rührer, eine Pumpe oder ein Ventilator sein. Sie tritt zur freien Konvektion hinzu und beschleunigt den Temperaturausgleich.
Antrieb durch Auftrieb wärmerer Bereiche. Braucht Temperaturgradient und Schwerkraft. Beispiel: Konvektionswalze im beheizten Becherglas.
Antrieb durch Rührer, Pumpe oder Ventilator. Funktioniert auch ohne Schwerkraft. Beispiel: Umrühren auf der Heizplatte.
Zwei Beispiele zeigen den Effekt. Eine Flüssigkeit auf der Heizplatte ist unten heißer als oben. Umrühren verringert diese Temperaturdifferenzen. Ein Eiswürfel in Wasser umgibt sich mit einer Hülle aus kaltem Schmelzwasser, die ihn wie eine Decke abschirmt. Rühren spült diese Hülle fort und bringt wärmeres Wasser an die Eisoberfläche. Das Eis schmilzt schneller.
Quiz
Aussage 1
Rühren beschleunigt das Schmelzen eines Eiswürfels in Wasser, weil es die kalte Schmelzwasserhülle um das Eis entfernt.
Die erzwungene Konvektion bringt wärmeres Wasser an die Eisoberfläche und beschleunigt so den Wärmeübergang.
Aussage 2
In Schwerelosigkeit läuft freie Konvektion unverändert ab, da allein der Temperaturgradient sie antreibt.
Der Antrieb ist der Auftrieb erwärmter Bereiche geringerer Dichte. Ohne Schwerkraft gibt es keinen Auftrieb und damit keine freie Konvektion.
Aussage 3
Bei der Wärmeübertragung durch Konvektion wird stets auch Materie transportiert.
Bei der Konvektion führt das strömende Fluid die Wärme mit sich. Ohne Materietransport gibt es keine Konvektion.
Aussage 4
Ideale Gase können Wärme nicht durch Konvektion übertragen, weil das Modell Wechselwirkungen zwischen den Teilchen vernachlässigt.
Die Teilchen des idealen Gases haben Masse und können strömen. Auch ideale Gase übertragen Wärme konvektiv.
Aussage 5
Ein Kühlmittel mit hoher Viskosität verbessert den konvektiven Wärmetransport, weil es länger an der warmen Fläche verweilt.
Eine große Viskosität bremst die Strömung und verschlechtert damit den Wärmetransport. Günstig sind niedrige Viskosität und hohe Umlaufgeschwindigkeit.
Aussage 6
In einem Barren aus festem Gold wird Wärme nicht durch Konvektion transportiert.
Im Festkörper sind die Teilchen im Gitter fixiert. Wärme wird dort nur durch Leitung übertragen.
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