Konvektion in der Physik

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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.