Konvektion in der Physik

Lerne, wie die Konvektion, eine Art der Wärmeübertragung, funktioniert. Entdecke die Bedeutung von stofflichen Trägern und unterscheide zwischen freier und erzwungener Konvektion. Was sind Beispiele für Konvektion mit und ohne Stoffaustausch? Interessiert? Dies und mehr im folgenden Text!

Inhaltsverzeichnis zum Thema Konvektion

Das Quiz zum Thema: Konvektion

Was ist Konvektion in der Physik?

Frage 1 von 5

Welche Art der Konvektion tritt auf, wenn es neben dem Temperaturaustausch auch zu einem Stoffaustausch kommt?

Frage 2 von 5

Was ist die Voraussetzung für konvektive Wärmeübertragung?

Frage 3 von 5

In welchem Fall spricht man von freier Konvektion?

Frage 4 von 5

Was ist der Unterschied zwischen Wärmeleitung und Konvektion?

Frage 5 von 5

Konvektion im Überblick

  • Die Konvektion, auch Wärmeströmung genannt, ist eine der drei Arten der Wärmeübertragung.
  • Bei der Konvektion handelt es sich um Wärmeübertragung durch den Transport von Teilchen.
  • Für die Konvektion ist ein stofflicher Träger notwendig, der Energie transportieren kann und zudem strömungsfähig ist.

  • Man unterscheidet zwischen freier und erzwungener Konvektion.
  • Kommt es neben dem Temperaturaustausch auch zu einem Stoffaustausch, dann spricht man von einer Konvektion mit Stoffaustausch.
Konvektion: Lernvideo

Quelle sofatutor.com

Konvektion einfach erklärt

Es existieren drei Arten der Wärmeübertragung: die Wärmestrahlung, die Wärmeleitung und die Wärmekonvektion oder kurz Konvektion. Wärme wird dabei immer vom Kalten zum Warmen transportiert. Dabei gilt: je größer der Temperaturunterschied, desto größer der Wärmestrom. Im Folgenden wollen wir die Konvektion genauer betrachten.

Konvektion – Definition

Bei der Konvektion handelt es sich um eine Art der Wärmeübertragung. Konvektion, auch Wärmeströmung genannt, bezeichnet die Übertragung von Wärme durch den Transport von Teilchen.

Konvektion – Voraussetzungen

Für die konvektive Wärmeübertragung muss ein stofflicher Träger vorhanden sein, der die Energie transportieren kann. Zusätzlich muss dieser stoffliche Träger auch strömungsfähig sein. So wird die Wärmeenergie gemeinsam mit dem Stoff transportiert. Beispiele für strömungsfähige Fluide sind Luft und Wasser. Der Begriff Fluid umfasst in der Physik Flüssigkeiten und Gase.

Konvektion – Erklärung

Strömt ein Fluid über eine Oberfläche, kommt es zu einem Angleichen der Temperaturen. Je nachdem welcher Stoff wärmer ist, nimmt das Fluid entweder Wärme von der Oberfläche auf oder es gibt Wärme (thermische Energie) an die Oberfläche ab. Strömt das Fluid weiter, transportiert es die Wärme mit sich. Aus diesem Grund wird die Konvektion auch Wärmeströmung genannt.

Konvektion mit und ohne Stoffaustausch

Je nachdem ob es sich bei dem zweiten Medium, das vom Fluid überströmt wird, um eine feste Oberfläche oder ebenfalls um ein Fluid handelt, unterscheiden wir die Konvektion mit und die Konvektion ohne Stoffaustausch.

Konvektion ohne Stoffaustausch

Bei der Konvektion ohne Stoffaustausch handelt es sich um einen reinen Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Oberfläche. Das ist dann der Fall, wenn es sich bei der Oberfläche um einen Festkörper handelt. Die Oberfläche gibt entweder Wärme an das Fluid ab – dies ist zum Beispiel bei einer Heizung der Fall – oder nimmt Wärme von diesem auf.

Konvektion mit Stoffaustausch

Zur Konvektion mit Stoffaustausch kommt es bei der Konvektion zwischen Fluiden. Es findet in diesem Fall neben dem Wärmeaustausch auch ein Stoffaustausch statt. Es erfolgt neben der Temperaturangleichung auch eine Angleichung der Stoffzusammensetzung.

Freie und erzwungene Konvektion

Je nachdem welche Kräfte für die Entstehung der Strömung verantwortlich sind, unterscheiden wir in freie und erzwungene Konvektion.

Freie Konvektion

Sind die Ursachen für die Strömung die Schwerkraft, Temperatur- oder Dichteunterschiede oder andere nicht äußere Einflüsse, handelt es sich um die sogenannte freie oder natürliche Konvektion. Ist ein Temperaturunterschied die Ursache, spricht man auch von einer thermischen Konvektion. Betrachten wir nun zwei Sonderfälle der freien Konvektion an jeweils einem Beispiel aus dem Alltag. 

Rayleigh-Benard-Konvektion als Sonderfall der freien Konvektion
Die sogenannte Rayleigh-Benard-Konvektion tritt im Zentrum flacher, horizontaler Fluide auf, sobald eine kritische Temperatur erreicht ist. Es handelt sich dabei um ein natürliches Phänomen.
Wird ein Topf mit Wasser auf dem Herd erwärmt, kommt es ab einer gewissen Temperatur, der kritischen Temperatur, durch den Temperaturunterschied zwischen Topfboden und Wasseroberfläche zu einer Strömung. Die am Topfboden erwärmte Flüssigkeit steigt in der Mitte aufgrund geringerer Dichte auf, kühlt sich an der Oberfläche ab und sinkt mit höherer Dichte am Topfrand wieder ab. Ursache der Konvektion ist in diesem Fall also der Dichteunterschied des Wassers.

Marangoni-Konvektion als Sonderfall der freien Konvektion
Bei der Marangoni-Konvektion ist der Auslöser für die Strömung eine unterschiedliche Oberflächenspannung. Im Allgemeinen nimmt die Oberflächenspannung mit steigender Temperatur ab.
Betrachten wir eine Kerze. Das Wachs der Kerze ist aufgrund der unterschiedlichen Nähe zur Flamme verschieden warm. Die Oberflächenspannung des etwas kälteren Wachses am Rand der Kerze ist höher als die des wärmeren Wachses in der Mitte der Kerze. Die Oberfläche wird vereinfacht gesagt aus der Mitte der Kerze zum Rand gezogen und nimmt dabei das oberflächennahe Wachs mit. So entsteht eine Strömung in Form einer Kreisbewegung.

Aufwindkraftwerk als Beispiel der freien Konvektion
Ein weiteres Beispiel für die freie Konvektion ist das Aufwindkraftwerk. Dabei wird mithilfe von durchsichtigen Sonnenkollektoren tagsüber die Luft am Boden erwärmt. Somit entsteht ein Druckunterschied gegenüber der Außenluft und daraus resultierend ein thermischer Auftrieb innerhalb eines Turms. Diese Luftströmung kann zum Antrieb von Turbinen genutzt werden, die sich im Inneren des Turms befinden. Die Höhe der Druckunterschiede beeinflusst die Leistung des Kraftwerks.

Erzwungene Konvektion

Sind die Ursachen für die Strömung äußere Einflüsse, handelt es sich um eine sogenannte erzwungene Konvektion. Beispiele für äußere Einflüsse sind Pumpen und Gebläse, die für Druckunterschiede und daraus resultierende Strömungen sorgen.
Ein Beispiel für eine erzwungene Konvektion ist der Föhn zum Haaretrocknen. Durch ein Gebläse im Föhn wird eine Strömung erzeugt, wodurch Konvektion entsteht.

Konvektion – Beispiele

In der folgenden Tabelle sind verschiedene Beispiele für die Wärmeströmung aufgezeigt.

Beispiel Erklärung Art der Konvektion
Golfstrom Warmes Wasser strömt an der Oberfläche von der Karibik nach Europa, durch Verdunstung erhöht sich der Salzgehalt und das Wasser sinkt wieder ab. freie Konvektion
Wäschetrocknung auf Leine Abkühlung durch Verdunstung, Luft strömt ab. freie Konvektion
Segelflug Die Flugenergie wird unter anderem aus thermischen Aufwinden gewonnen. freie Konvektion
Computerlüftung Der Lüfter saugt Luft an, um den Prozessor zu kühlen, und erzeugt dadurch einen Luftstrom. erzwungene Konvektion
Warmwasserheizung Umwälzpumpen sorgen für eine Verteilung des warmen Wassers. erzwungene Konvektion

Heizt man einen Raum mithilfe einer Heizung, sind die Konvektionsströme manchmal sogar spürbar. So spürt man, dass warme Luft vorbeiströmt, wenn man seine Hand mit etwas Abstand über den Heizkörper hält. Dabei spricht man auch von Konvektionswärme. Durch den thermischen Auftrieb strömt die warme Heizungsluft zunächst nach oben, kühlt sich dann wieder ab und sinkt Richtung Boden. Unter dem thermischen Auftrieb versteht man eine Ausgleichsströmung der Luft aufgrund von Druckunterschieden, die wiederum durch Temperaturunterschiede entstehen.
Es gibt auch sogenannte Konvektorheizungen, die die Raumluft überwiegend durch Konvektion erhitzen. Kalte Luft wird unten angezogen, im Heizkörper erwärmt, steigt durch die geringere Dichte auf und wird oben aus der Heizung wieder an den Raum abgegeben.

Unterschiede zwischen Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung

Die drei Arten der Wärmeübertragung Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung (Konduktion) unterscheiden sich deutlich voneinander.
Bei der Wärmestrahlung wird die thermische Energie in Form von elektromagnetischen Wellen transportiert, dafür sind keine Gase, Flüssigkeiten oder festen Stoffe notwendig. Nur so kann die thermische Energie der Sonne durch das Vakuum des Weltalls zu uns transportiert werden.
Bei der Wärmeleitung wird Wärme mithilfe von Materialien transportiert. Die Schwingung der Atome transportiert dabei die Wärme durch das Material. Dabei gibt es Materialien, die gut Wärme leiten (zum Beispiel Metalle), und Materialien, die kaum Wärme leiten. Ein Beispiel aus dem Alltag für die Wärmeleitung ist, dass das Ende eines Löffels im warmen Tee auch warm wird, obwohl sich dieses Ende nicht im Tee befindet.
Für die Wärmeleitung ist also ein Material notwendig, das Wärme leitet, für die Konvektion hingegen ist ein strömungsfähiges Fluid nötig und für die Wärmestrahlung braucht es gar keinen Stoff.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Konvektion

Die Konvektion ist eine Art der Wärmeübertragung. Dabei wird die thermische Energie (Wärme) durch den Transport von Teilchen übertragen.

Konvektion entsteht, wenn ein Fluid über ein anderes Fluid oder eine feste Oberfläche strömt. Haben beide eine unterschiedliche Temperatur, kommt es zu einem Angleichen der Temperatur. Durch das Fluid wird die Wärme dann weiter transportiert.

Strömt ein Fluid über ein anders temperiertes Fluid oder eine feste Oberfläche mit einer anderen Temperatur, kommt es zu einer Temperaturanpassung. Ist das Fluid wärmer, gibt es thermische Energie ab, ist es kälter, nimmt es thermische Energie auf. Da das Fluid strömt, transportiert es die thermische Energie, die es nach der Temperaturanpassung besitzt, weiter.

Konvektion findet dann statt, wenn ein strömendes Fluid über eine feste Oberfläche oder ein anderes Fluid strömt und zwischen beiden ein Temperaturunterschied besteht.

Ist die Ursache für die Strömung des Fluids ein Temperaturunterschied, sprechen wir von thermischer Konvektion.

Strömt das Fluid über eine wärmere Oberfläche, gibt diese thermische Energie an das Fluid ab und kühlt sich somit ab. Dieser Prozess wird unter anderem in Rechnern zur Kühlung der Prozessoren genutzt und als Konvektionskühlung bezeichnet.

Da die Konvektion auf der Strömung eines Fluids beruht, wird sie auch Wärmeströmung genannt.

Wärme kann auf drei verschiedene Arten übertragen werden, durch Wärmestrahlung, Wärmeströmung oder Wärmeleitung.

Man unterscheidet die Arten Wärmestrahlung, Wärmeströmung und Wärmeleitung.

Bei der Wärmeleitung ist ein wärmeleitendes Material nötig, bei der Konvektion hingegen ein strömendes Fluid. Für die Wärmestrahlung hingegen ist kein Stoff notwendig.

Eine Konvektorheizung heizt einen Raum hauptsächlich durch Konvektion.

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