Konvektion: Unterschied zwischen den Versionen

Konvektion: Unterschied zwischen den Versionen

imported>Innobello
K (Änderungen von 31.47.87.245 (Diskussion) auf die letzte Version von KaiKemmann zurückgesetzt)
 
imported>M.J.
(→‎Weitere Beispiele: Schwimmer gelöscht: es strömt dabei überall, und zu viel, um etwas zu illustrieren.)
 
Zeile 4: Zeile 4:
|4=Konvektion
|4=Konvektion
|5=Konvektion (Wärmeübertragung)|6=Wärmeübergang|7=Natürliche Konvektion|12=f|2=März 2017|1=[[Benutzer:Alturand|Alturand]] ([[Benutzer Diskussion:Alturand|Diskussion]]) 15:35, 9. Mär. 2017 (CET)}}
|5=Konvektion (Wärmeübertragung)|6=Wärmeübergang|7=Natürliche Konvektion|12=f|2=März 2017|1=[[Benutzer:Alturand|Alturand]] ([[Benutzer Diskussion:Alturand|Diskussion]]) 15:35, 9. Mär. 2017 (CET)}}
'''Konvektion''' (von {{laS|''convectum''}} ‚mitgetragen') ist das Mitführen von Materie durch ein [[Strömung|strömendes]] [[Fluid]]. Mit Konvektion kann auch der Transport von gelösten Stoffen oder von physikalischen [[Zustandsgröße]]n wie [[Impuls]], [[Vortizität]] oder – als ein Mechanismus des [[Wärmetransport]]s [[thermische Energie|thermischer Energie]] gemeint sein. Letzteres wird auch als '''[[Konvektion (Wärmeübertragung)|Wärmemitführung]]''' bezeichnet.
'''Konvektion''' (von {{laS|''convehere''}} ‚herbeibringen‘<ref>{{Internetquelle |url=https://www.duden.de/node/82550/revision/82586#herkunft |titel=Konvektion |abruf=2019-06-11| werk=Duden online}}</ref>) oder '''Strömungstransport''' ist der Transport physikalischer [[Zustandsgröße]]n in [[Strömung|strömenden]] [[Fluid|Gasen oder Flüssigkeiten]]. Physikalische Zustandsgrößen sind dabei beispielsweise mitgeführte [[thermische Energie|Wärme]], [[Materie]] oder [[Impuls]].
Der konvektive Transport thermischer Energie ist ein Mechanismus des [[Wärmetransport]]s und wird auch [[Konvektion (Wärmeübertragung)|Wärmemitführung]] genannt.
 
Tritt infolge von Temperaturunterschieden ein [[statischer Auftrieb]] als die Ursache der Strömung auf, wird dies ''thermische Konvektion, [[natürliche Konvektion]], freie Konvektion'' oder ''Wärmeströmung'' genannt.
Außerdem kann die Strömung z.&nbsp;B. durch Pumpen oder Ventilatoren verursacht werden oder durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen, dies wird [[erzwungene Konvektion]] genannt.


Die Strömung kann z.&nbsp;B. durch Pumpen oder Ventilatoren erzwungen sein oder durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen.
[[Datei:ConvectionCells.svg|mini|Konvektionszellen in einem von unten beheizten Gefäß]]
[[Datei:ConvectionCells.svg|mini|Konvektionszellen in einem von unten beheizten Gefäß]]
Insbesondere bei Temperaturunterschieden als Ursache der Strömung (''thermische Konvektion'', ''natürliche Konvektion'', ''freie Konvektion'', ''Wärmeströmung'') ist das oft der Hauptaspekt.


Die Bewegung des Fluids wird auch '''Konvektionsstrom''' genannt.
Im angelsächsischen Sprachraum bezeichnet ''convection'' im weiteren Sinne jede Bewegung von Molekülen innerhalb eines Fluids und umfasst daher neben der reinen [[Advektion]] durch Strömung auch die [[Diffusion]] durch Bewegung auf atomarer Ebene (also innerhalb von Fluiden oder fester Materie).


Im angelsächsischen Sprachraum bezeichnet die Konvektion im weiteren Sinne jede Bewegung von Molekülen innerhalb eines Fluids und umfaßt daher neben der reinen [[Advektion]] durch Strömung auch die [[Diffusion]] durch Bewegung auf atomarer Ebene (also innerhalb von Fluiden oder fester Materie).
== Mechanismen ==
=== Statischer Auftrieb ===
{{Hauptartikel|Natürliche Konvektion}}


== Mechanismen ==
Unterschiede in der Dichte im Fluid führen im [[Schwerefeld]] zu [[Statischer Auftrieb|statischem Auftrieb]]. Die Dichteunterschiede können durch eine Temperaturdifferenz oder unterschiedliche [[Konzentration (Chemie)|Stoffdichten]] verursacht werden. Die so angetriebene Bewegung heißt natürliche oder freie Konvektion.
=== Gravitation und Dichteunterschiede ===
Strömung wird durch [[Gravitation]] und [[Dichte]]&shy;unterschiede im [[Fluid]] angetrieben. Die so verursachte Strömung wird als [[natürliche Konvektion]] oder freie Konvektion bezeichnet.
Die Dichteunterschiede resultieren aus Temperaturunterschieden oder Konzentrationsunterschieden. Das unterschiedliche Volumen gleicher Massen führt dann zu unterschiedlichem [[Statischer Auftrieb|statischen Auftrieb]].


Werden die Dichteunterschiede durch unterschiedliche [[Konzentration (Chemie)|Stoffdichten]] hervorgerufen, wird dies [[Chemie|chemische]] Konvektion, bei Lösungen auch solutale Konvektion, bei Salzlösungen auch [[Salzwasser|haline]] Konvektion oder in Verbindung mit thermischer Konvektion auch [[thermohalin]]e Konvektion genannt. Kommen die Dichteunterschiede durch eine Ansammlung von Mikroorganismen an der Oberfläche der Flüssigkeit zustande, spricht man von [[Biokonvektion]].
Werden die Dichteunterschiede durch unterschiedliche [[Konzentration (Chemie)|Stoffdichten]] hervorgerufen, wird dies [[Chemie|chemische]] Konvektion, bei Lösungen auch solutale Konvektion, bei Salzlösungen auch [[Salzwasser|haline]] Konvektion oder in Verbindung mit thermischer Konvektion auch [[thermohalin]]e Konvektion genannt. Kommen die Dichteunterschiede durch eine Ansammlung von Mikroorganismen an der Oberfläche der Flüssigkeit zustande, spricht man von [[Biokonvektion]].
Zeile 23: Zeile 24:
'''Beispiele'''
'''Beispiele'''


In polaren Regionen des Meeres gefriert Wasser zu einer Eisdecke. Das im Meerwasser enthaltene Meersalz verbleibt im Wasser unter dem Eis, wodurch sich in diesem Bereich die Salzkonzentration erhöht. Dieses höher konzentrierte Salzwasser hat eine höhere Dichte und sinkt in Bereiche ab, in welchen das vorhandene Meerwasser infolge niedrigerer Temperatur die gleiche Dichte aufweist. Das unten verdrängte Wasser strömt hinauf bis unter die Eisdecke und der Vorgang beginnt erneut. Es entsteht eine thermohaline Konvektion bzw. [[thermohaline Zirkulation]].<ref>{{Internetquelle | url=http://www.uni-kiel.de/forum-erdkunde/hintergr/Farbmeer/fmmsthko.htm | titel=Thermohaline Konvektion | autor=Britta Weber | datum=1997-02-10 | archiv-url=https://web.archive.org/web/20080611203718/http://www.uni-kiel.de/forum-erdkunde/hintergr/Farbmeer/fmmsthko.htm | archiv-datum=2008-06-11 | zugriff=2015-01-06 | kommentar=Gestaltet im Rahmen des Projektes ENGL/EMIR, W. Hassenpflug, W. D. John, Uni Kiel}}</ref>
In einem Topf auf dem Herd wird Wasser erhitzt. Am Boden wird geheizt, die Seitenwände sind isoliert und an der Oberfläche kühlt das Wasser durch Verdunstung bzw. die Außentemperatur ab. Durch die Erwärmung steigt Wasser mit geringerer Dichte auf, oben gekühltes Wasser sinkt ab. Es bilden sich Konvektionszellen, wie oben im Bild schematisch dargestellt. Eine solche Anordnung heißt [[Rayleigh-Bénard-Konvektion]].
 
In der Meteorologie hängen zahlreiche Phänomene mit der natürlichen Konvektion zusammen:
* Bei [[Thermik]] wird Luft am Boden erwärmt und steigt auf.
* Durch aufsteigende feuchte Luft kann es zu [[Wolke#Übersicht|Wolken]]bildung (insb. [[Kumulus]] und [[Kumulonimbus]]) und [[Gewitter]]n kommen.
 
=== Äußere mechanische Einwirkung ===
[[Datei:Centrifugal fan static.png|mini|Radialventilator]]
{{Hauptartikel|Erzwungene Konvektion}}
 
Wenn die Strömung durch Kräfte außerhalb des Fluids angetrieben wird, spricht man von erzwungener Konvektion. Diese tritt zum Beispiel bei [[Pumpe]]n oder [[Ventilator]]en auf.
 
Bestehen bei der erzwungenen Konvektion Temperatur- und damit Dichteunterschiede, so wirken zusätzlich die gleichen Kräfte wie bei der freien Konvektion. Die [[Archimedes-Zahl#Andere Definition|Archimedes-Zahl]] kennzeichnet dann das Verhältnis von freier zu erzwungener Konvektion.
 
'''Beispiel'''
 
Eine [[Umwälzpumpe]] transportiert warmes Wasser von der Heizungsanlage zu den Heizkörpern.
 
=== Magnetohydrodynamik ===
Als weitere treibende Kräfte können [[Magnetisches Feld|magnetische]] und [[elektrisches Feld|elektrische Felder]] wirken. Mathematisch formuliert wird dies in der [[Magnetohydrodynamik]].
 
'''Beispiele'''
* Das [[Erdmagnetfeld]] wird durch den [[Dynamoeffekt]] erzeugt.  
* Die Struktur der [[Korona (Sonne)|Korona]] der Sonne, insbesondere [[Sonnenflecken]] werden mit der MHD erklärt.


=== Oberflächenspannung (Marangoni-Konvektion) {{Anker|Marangoni-Konvektion}} ===<!-- Achtung, die Änderung dieser Überschrift führt zu defekten Weiterleitungen! -->
=== Oberflächenspannung (Marangoni-Konvektion) {{Anker|Marangoni-Konvektion}} ===<!-- Achtung, die Änderung dieser Überschrift führt zu defekten Weiterleitungen! -->


Die [[Carlo Marangoni|Marangoni]]-Konvektion ist eine Strömung, die durch Unterschiede der [[Grenzflächenspannung]] entsteht. Dadurch kommt es u. a. zur Stabilisierung von [[Schaum|Schäumen]]. Ursache für die unterschiedliche Grenzflächenspannung können z.&nbsp;B. Änderungen der Temperatur, der Konzentration gelöster Stoffe (z.&nbsp;B Detergentien) oder der Ladungsdichte ([[Elektrokapillarität]]) entlang der Grenzfläche sein. Hierdurch strömt das Fluid entlang der Grenzfläche vom Ort erniedrigter Grenzflächenspannung in Richtung der lokal erhöhten Grenzflächenspannung, die beispielsweise durch eine verminderte Detergens-Konzentration hervorgerufen werden kann. Folglich kommt es zu einer Reduktion des Gradienten der Oberflächenspannung. Eine Kenngröße für die Marangoni-Konvektion ist die [[Marangoni-Zahl]].
[[Datei:Wine legs shadow.jpg|mini|hochkant|Der Marangoni-Effekt verursacht die Weintränen, die hier im Schatten des Weinglases gut zu erkennen sind.]]
Als [[Carlo Marangoni|Marangoni]]-Konvektion bezeichnet man eine Strömung, die durch den Gradienten der [[Grenzflächenspannung]] entsteht. Ursache für die unterschiedliche Grenzflächenspannung können z.&nbsp;B. ein Temperaturgefälle oder Konzentrationsgefälle gelöster Stoffe entlang der Grenzfläche sein. Das Fluid strömt dabei entlang der Grenzfläche in Richtung der größeren Spannung. Als Kennzahl zur Charakterisierung der Marangoni-Konvektion eignet sich die [[Marangoni-Zahl]], welche sich als das Verhältnis von Grenzflächenspannung zur Viskosität verstehen lässt.


'''Beispiele'''
'''Beispiele'''


Beobachten lässt sich die Marangoni-Konvektion, wenn kleine Rußpartikel im flüssigen Wachs einer Kerze schwimmen. In der Nähe der Flamme ist die Oberfläche des flüssigen Wachses heißer als weiter außen am Rand der Kerze. Da im Allgemeinen die Grenzflächenspannung mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Grenzflächenspannung dicht an der Flamme geringer als am Rand der Kerze. Dadurch wird die Flüssigkeit nach außen gerissen und nimmt oberflächennahes Wachs mit, das dadurch zu einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese wird durch die Rußpartikel sichtbar.
Beobachten lässt sich die Marangoni-Konvektion, wenn kleine Rußpartikel im flüssigen Wachs einer Kerze schwimmen. In der Nähe der Flamme ist die Oberfläche des flüssigen Wachses heißer als weiter außen am Rand der Kerze. Da im Allgemeinen die Grenzflächenspannung mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Grenzflächenspannung dicht an der Flamme geringer als am Rand der Kerze. Dadurch wird die Oberfläche nach außen gerissen und nimmt oberflächennahes Wachs mit, das dadurch zu einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese wird durch die Rußpartikel sichtbar.
 
Ein weiteres bekanntes Beispiel sind die sogenannten Weintränen. Aufgrund der [[Adhäsion]] kriecht ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Glasoberfläche hoch. Da Alkohol schneller verdunstet als Wasser, wird nach oben hin die Alkoholkonzentration geringer und dadurch die Oberflächenspannung größer, weitere Flüssigkeit strömt nach, bis die Schwerkraft überwiegt. Herablaufende Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung zieht sich beim Durchqueren der Zone mit geringer Oberflächenspannung zu schmalen Rinnsalen zusammen.
 
Der Marangoni-Effekt spielt eine maßgebliche Rolle bei der Stabilisierung von flüssigen [[Schaum|Schäumen]]. Hierbei bewirkt der durch eine Störung der Schaumfilmoberfläche induzierte Gradient der Oberflächenspannung einen die Störung heilenden, konvektiven Strom der interlamellaren Flüssigkeit.
 
Auch ist der Marangoni-Effekt wichtig für Prozesse bei der Metallverarbeitung mit hohen Temperaturgradienten, wie z.&nbsp;B. bei der [[Czochralski-Verfahren|Halbleiterherstellung]] oder beim Schweißen.


Ein weiteres anschauliches Beispiel sind die sogenannten „[[Träne (Wein)|Tränen]]“ an der Innenwand eines mit Wein gefüllten Glases. Für industrielle Anwendungen besonders relevant ist die Marangoni-Konvektion in Prozessen mit hohen Gradienten wie z. B. bei der [[Czochralski-Verfahren|Halbleiterherstellung]] oder beim Schweißen.
== Mathematische Beschreibung ==
Die [[substantielle Ableitung]] in einem Fluid setzt sich aus der lokalen und der konvektiven Ableitung zusammen. Aufgrund der [[Kettenregel]] gilt für eine Fluideigenschaft <math>\Phi</math>:


=== Äußere mechanische Einwirkung ===
: <math> \frac{\text{d}\Phi(\vec{x},t)}{\text{d}t}=\underbrace{\frac{\partial\Phi}{\partial t}}_{\mbox{lokal}}+\underbrace{(\vec{v}\cdot\vec{\nabla})\Phi}_{\mbox{konvektiv}} </math>
{{Hauptartikel|Erzwungene Konvektion}}


Äußere mechanische Einwirkung kann zum Beispiel durch [[Pumpe]]n oder [[Ventilator]]en erfolgen. Es werden Druckunterschiede erzeugt, welche wiederum ein Fließen des Fluids hervorrufen.
In dieser Form tritt der Konvektionsterm insb. in der [[Konvektions-Diffusions-Gleichung]] auf.


=== Weitere Mechanismen ===
Speziell ist in den [[Navier-Stokes-Gleichungen|Navier-Stokes-]] oder [[Euler-Gleichungen (Strömungsmechanik)|Eulergleichungen]] <math>\Phi=\vec v</math> mit der Fluidgeschwindigkeit <math>\vec v=\vec v(x,y,z)</math>. Damit lautet der Term der konvektiven Beschleunigung
Weitere treibende Kräfte sind Impulse, [[Magnetisches Feld|magnetische]] und [[elektrisches Feld|elektrische Felder]]. Sie entstehen beispielsweise durch [[Elektrischer Strom|elektrische Spannungen]] oder [[Elektrischer Strom|Ströme]]. Der [[Impuls]] wird über die Grenzfläche auf das Fluid übertragen oder wirkt auf das Volumen des Fluids.
<math>(\vec{v}\cdot\vec{\nabla})\vec v </math>.<ref>[https://labor.beuth-hochschule.de/fileadmin/labor/emr/Datein/Umdrucke_SL/AB_Transporttheorem.pdf Skript] M. Fraaß, Beuth Hochschule</ref>


== Übertragungs- und Austauschvorgänge ==
== Übertragungs- und Austauschvorgänge ==
Bei der Konvektion werden physikalische Größen transportiert und über die [[Fluiddynamische Grenzschicht|Grenzschicht]] zu angrenzenden [[Festkörper|Körpern]] oder Fluiden übertragen oder mit diesen ausgetauscht. Diese Vorgänge sind abhängig von
Bei der Konvektion werden physikalische Größen transportiert. Einige dieser Größen können über die [[Fluiddynamische Grenzschicht|Grenzschicht]] zu angrenzenden [[Festkörper|Körpern]] oder Fluiden übertragen oder mit diesen ausgetauscht (insb. die Temperatur). Diese Vorgänge sind abhängig von
* den Stoffeigenschaften, wie z.&nbsp;B. der Wärmeleitfähigkeit oder der Dichte,
* den Stoffeigenschaften, wie z.&nbsp;B. der Wärmeleitfähigkeit oder der Dichte,
* der Form der Körper, wie z.&nbsp;B. Rohr, ebene Platte oder unregelmäßige Oberflächenformen und
* der Form der Körper, wie z.&nbsp;B. Rohr, ebene Platte oder unregelmäßige Oberflächenformen und
* der dadurch beeinflussten Strömung, die [[laminar]] oder [[Turbulente Strömung|turbulent]] sein kann.
* der dadurch beeinflussten Strömung, die [[laminar]] oder [[Turbulente Strömung|turbulent]] sein kann.
* ggf. weiteren Einflüssen (z.&nbsp;B. Gravitation)


Mit der Konvektion finden folgende Übertragungs- und Austauschvorgänge statt:
Mit der Konvektion können folgende Übertragungs- und Austauschvorgänge stattfinden:
* Energie und [[Entropie (Thermodynamik)|Entropie]] werden durch [[Wärmeleitung]] aus dem strömenden Fluid übertragen oder durch die Dissipation infolge Reibung erzeugt. Des Weiteren können Energie und Entropie auch durch [[Phasenübergang|Phasenübergänge]] und [[Stoffaustausch]] übertragen werden.
* Energie und [[Entropie (Thermodynamik)|Entropie]] werden durch [[Wärmeleitung]] aus dem strömenden Fluid übertragen oder durch die Dissipation infolge Reibung erzeugt. Des Weiteren können Energie und Entropie auch durch [[Phasenübergang|Phasenübergänge]] und [[Stoffaustausch]] übertragen werden.
* Stoffe und [[elektrische Ladung]]en werden ausgetauscht u.&nbsp;a. durch [[Diffusion]], Phasenübergang (z.&nbsp;B. [[Trocknung|Trocknen]], [[Sorption]], [[Verdampfen]], [[Erstarren]]), [[Dissoziation (Chemie)|Dissoziation]], [[Ionisation]] und [[Reibung]].
* Stoffe und [[elektrische Ladung]]en werden ausgetauscht u.&nbsp;a. durch [[Diffusion]], Phasenübergang (z.&nbsp;B. [[Trocknung|Trocknen]], [[Sorption]], [[Verdampfen]], [[Erstarren]]), [[Dissoziation (Chemie)|Dissoziation]], [[Ionisation]] und [[Reibung]].


Zeile 58: Zeile 89:
Einige der genannten Vorgänge, wie beispielsweise Erstarren und Verdampfen, finden meist oder nur bei gleichzeitigem Auftreten von Konvektion statt.
Einige der genannten Vorgänge, wie beispielsweise Erstarren und Verdampfen, finden meist oder nur bei gleichzeitigem Auftreten von Konvektion statt.


== Berechnungen und Simulationen ==
== Weitere Beispiele ==
Sind ausreichende Informationen über das Fluid, überströmte Körper, die Strömung und weitere Einflüsse bekannt, lassen sich unter Berücksichtigung der vielfältigen Wechselwirkungen über geeignete [[Gleichung]]en alle Ströme der physikalischen Größen berechnen, oft ist dies gerade bei turbulenten Strömungen nur mit Hilfe empirisch ermittelter Modelle und Näherungen und nur mit einiger Unsicherheit möglich. [[Simulation]]en erfolgen [[rechnergestützt]], grafische Darstellungen der errechneten Felder (etwa Temperaturfelder, Strömungen) machen die Ergebnisse anschaulich.
* Eine dünne Schicht eines nematischen [[Flüssigkristall]]s wird mit einem Temperaturfeld oder einem elektrischen Feld beaufschlagt. Unter geeigneten Bedingungen stellt sich eine durch das Temperaturfeld oder das elektrische Feld (elektrische Konvektion) angetriebene Konvektionströmung ein. Bei mittlerer Stärke des Feldes bilden sich Konvektionswalzen in der [[anisotrop]]en Schicht, bei hoher Stärke des Feldes lösen sich die Muster durch den Übergang in turbulente Strömungen auf.<ref>{{Internetquelle | url=http://www.ep5.uni-bayreuth.de/rehberg/publications/publ/040.pdf | titel=Musterbildung in hydrodynamischen Systemen | autor=Ingo Rehberg | datum=1994 | zugriff=2015-01-06 | format=PDF, 3,28&nbsp;MB | kommentar=25. Ferienkurs des IFF Jülich: Komplexe Systeme zwischen Atom und Festkörper }}</ref>
 
Grundlegend beschrieben werden die Austauschvorgänge durch [[Bilanzgleichung]]en. Diese geben für jedes Volumen, also jeden frei gewählten räumlichen Bereich, die dort vorhandenen Wertveränderungen an. Diese Wertveränderungen ergeben sich aus den einfließenden Strömen (mit [[Vorzeichen (Zahl)|Vorzeichen]]) der transportierten Größen. So ermöglichen die Bilanzgleichungen die Berechnung der Felder. Die unterschiedlichen [[Grenzschichtgleichungen]] dienen der Berechnung der Ströme durch die [[Grenzschicht]] zwischen dem Fluid und einem überströmten Körper. Entscheidend für eine aussagefähige Simulation eines konvektiven Transportvorgangs ist die Auswahl der geeigneten Modelle und Gleichungen, entsprechend dem konkreten Problem. Dafür sind insbesondere Entscheidungen welche Einflüsse vernachlässigbar sind zu treffen, da eine vollständige Berechnung realer Vorgänge meist nicht möglich ist oder zumindest zu aufwändig wäre.
 
Für die Beschreibung und Berechnung konvektiver Vorgänge werden unter anderem verschiedene [[dimensionslose Kennzahl]]en und Gleichungen der [[Strömungsmechanik]], der [[Thermodynamik]] und anderer [[Physik]]fachbereiche verwendet. Zentrale Bedeutung haben die [[Navier-Stokes-Gleichungen]] (wobei für kleine Temperaturschwankungen im imkompressiblen Fall häufig die [[Boussinesq-Approximation]] benutzt wird).
Die Untersuchung konvektiver Vorgänge erfolgt interdisziplinär in der Strömungslehre und weiteren [[naturwissenschaft]]lichen Fachbereichen.
 
Ist das Fluid ein [[Stoffgemisch]], erfordert dies eine getrennte Betrachtung der einzelnen Komponenten.
 
== Beispiele ==
* Ein Schwimmer gleitet durch kühles Wasser. Das Wasser überströmt den Körper entgegen der Fortbewegungsrichtung. Die Schwimmzüge der Arme und Beine führen zu zusätzlichen Strömungen relativ zu diesen Körperteilen. Es treten ungleichmäßige laminare und turbulente Strömungen auf. Die Abgabe von Wärmeenergie an das Wasser ist vor allem beeinflusst von der Körpertemperatur, der Erwärmung durch Stoffwechsel (exotherme chemische Reaktion), dem leitungsartigen und konvektiven Transport der Wärme im Körper und dem Wärmeaustausch mit und -transport in dem Wasser. Die Schwimmzüge tauschen infolge Reibung und Druckdifferenzen Impuls zwischen Wasser und Körper aus. Die Reibung des Wassers in der Grenzschicht zur Körperoberfläche produziert Wärmeenergie und Entropie und verringert so die Wärmeabgabe des Körpers geringfügig. Daneben treten konvektive Vorgänge auch zwischen Körper und Luft (einschließlich Atmung und Verdunstung) auf.
* Eine dünne Schicht eines nematischen [[Flüssigkristall]]s wird mit einem Temperaturfeld oder einem elektrischen Feld beaufschlagt. Unter geeigneten Bedingungen stellt sich eine durch das Temperaturfeld oder das elektrische Feld (elektrische Konvektion) angetriebene Konvektionströmung ein. Bei mittlerer Stärke des Feldes bilden sich Konvektionswalzen in der [[anisotrop]]en Schicht, bei hoher Stärke des Feldes lösen sich die Muster durch den Übergang in turbulente Strömungen auf.<ref>{{Internetquelle | url=http://www.ep5.uni-bayreuth.de/rehberg/publications/publ/040.pdf | titel=Musterbildung in hydrodynamischen Systemen | autor=Ingo Rehberg | datum=1994 | zugriff=2015-01-06 | format=PDF, 3,28&nbsp;MB | kommentar=25. Ferienkurs des IFF Jülich: Komplexe Systeme zwischen Atom und Festkörper }}</ref>
* Bei der Züchtung von [[Einkristall]]en aus Metalllegierungen kann das gewünschte gleichmäßige [[Kristallwachstum]] beim Erstarren der Schmelze durch konvektive Vorgänge gestört, aber auch bewusst beeinflusst werden. Diese Vorgänge sind neben der natürlichen Konvektion (thermisch und infolge von Konzentrationsunterschieden) auch die Marangoni-Konvektion (Schmelze fließt in Richtung hoher Oberflächenspannung) und bei induktiver Heizung oder anderen bewegten Magnetfeldern auch eine elektromagnetische Konvektion.<ref>{{Internetquelle | url=http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:14-994670019875-41192 | titel=Züchtung und physikalische Eigenschaften von Seltenerd-Übergangsmetall-Einkristallen | titelerg=Dissertation, Technische Universität Dresden | autor=Holger Bitterlich | datum=2000 | zugriff=2015-01-06}}</ref>
* Bei der Züchtung von [[Einkristall]]en aus Metalllegierungen kann das gewünschte gleichmäßige [[Kristallwachstum]] beim Erstarren der Schmelze durch konvektive Vorgänge gestört, aber auch bewusst beeinflusst werden. Diese Vorgänge sind neben der natürlichen Konvektion (thermisch und infolge von Konzentrationsunterschieden) auch die Marangoni-Konvektion (Schmelze fließt in Richtung hoher Oberflächenspannung) und bei induktiver Heizung oder anderen bewegten Magnetfeldern auch eine elektromagnetische Konvektion.<ref>{{Internetquelle | url=http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:14-994670019875-41192 | titel=Züchtung und physikalische Eigenschaften von Seltenerd-Übergangsmetall-Einkristallen | titelerg=Dissertation, Technische Universität Dresden | autor=Holger Bitterlich | datum=2000 | zugriff=2015-01-06}}</ref>
== Siehe auch ==
* [[Konvektion (Wärmeübertragung)]], konvektive Wärmeübertragung mit Beispielen (auch für thermische Konvektion)
* [[Konvektions-Diffusions-Gleichung]]


== Literatur ==
== Literatur ==

Aktuelle Version vom 3. Januar 2022, 12:54 Uhr

Icon tools.svg
Dieser Artikel wurde den Mitarbeitern der Redaktion Physik zur Qualitätssicherung aufgetragen. Wenn du dich mit dem Thema auskennst, bist du herzlich eingeladen, dich an der Prüfung und möglichen Verbesserung des Artikels zu beteiligen. Der Meinungsaustausch darüber findet derzeit nicht auf der Artikeldiskussionsseite, sondern auf der Qualitätssicherungs-Seite der Physik statt.
Die Artikel Kamineffekt, Konvektion, Konvektion (Wärmeübertragung), Wärmeübergang und Natürliche Konvektion überschneiden sich thematisch. Hilf mit, die Artikel besser voneinander abzugrenzen oder zusammenzuführen (→ Anleitung). Beteilige dich dazu an der betreffenden Redundanzdiskussion. Bitte entferne diesen Baustein erst nach vollständiger Abarbeitung der Redundanz und vergiss nicht, den betreffenden Eintrag auf der Redundanzdiskussionsseite mit {{Erledigt|1=~~~~}} zu markieren. Alturand (Diskussion) 15:35, 9. Mär. 2017 (CET)

Konvektion (von lateinisch convehere ‚herbeibringen‘[1]) oder Strömungstransport ist der Transport physikalischer Zustandsgrößen in strömenden Gasen oder Flüssigkeiten. Physikalische Zustandsgrößen sind dabei beispielsweise mitgeführte Wärme, Materie oder Impuls. Der konvektive Transport thermischer Energie ist ein Mechanismus des Wärmetransports und wird auch Wärmemitführung genannt.

Tritt infolge von Temperaturunterschieden ein statischer Auftrieb als die Ursache der Strömung auf, wird dies thermische Konvektion, natürliche Konvektion, freie Konvektion oder Wärmeströmung genannt. Außerdem kann die Strömung z. B. durch Pumpen oder Ventilatoren verursacht werden oder durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen, dies wird erzwungene Konvektion genannt.

Konvektionszellen in einem von unten beheizten Gefäß

Im angelsächsischen Sprachraum bezeichnet convection im weiteren Sinne jede Bewegung von Molekülen innerhalb eines Fluids und umfasst daher neben der reinen Advektion durch Strömung auch die Diffusion durch Bewegung auf atomarer Ebene (also innerhalb von Fluiden oder fester Materie).

Mechanismen

Statischer Auftrieb

Unterschiede in der Dichte im Fluid führen im Schwerefeld zu statischem Auftrieb. Die Dichteunterschiede können durch eine Temperaturdifferenz oder unterschiedliche Stoffdichten verursacht werden. Die so angetriebene Bewegung heißt natürliche oder freie Konvektion.

Werden die Dichteunterschiede durch unterschiedliche Stoffdichten hervorgerufen, wird dies chemische Konvektion, bei Lösungen auch solutale Konvektion, bei Salzlösungen auch haline Konvektion oder in Verbindung mit thermischer Konvektion auch thermohaline Konvektion genannt. Kommen die Dichteunterschiede durch eine Ansammlung von Mikroorganismen an der Oberfläche der Flüssigkeit zustande, spricht man von Biokonvektion.

Beispiele

In einem Topf auf dem Herd wird Wasser erhitzt. Am Boden wird geheizt, die Seitenwände sind isoliert und an der Oberfläche kühlt das Wasser durch Verdunstung bzw. die Außentemperatur ab. Durch die Erwärmung steigt Wasser mit geringerer Dichte auf, oben gekühltes Wasser sinkt ab. Es bilden sich Konvektionszellen, wie oben im Bild schematisch dargestellt. Eine solche Anordnung heißt Rayleigh-Bénard-Konvektion.

In der Meteorologie hängen zahlreiche Phänomene mit der natürlichen Konvektion zusammen:

  • Bei Thermik wird Luft am Boden erwärmt und steigt auf.
  • Durch aufsteigende feuchte Luft kann es zu Wolkenbildung (insb. Kumulus und Kumulonimbus) und Gewittern kommen.

Äußere mechanische Einwirkung

Radialventilator

Wenn die Strömung durch Kräfte außerhalb des Fluids angetrieben wird, spricht man von erzwungener Konvektion. Diese tritt zum Beispiel bei Pumpen oder Ventilatoren auf.

Bestehen bei der erzwungenen Konvektion Temperatur- und damit Dichteunterschiede, so wirken zusätzlich die gleichen Kräfte wie bei der freien Konvektion. Die Archimedes-Zahl kennzeichnet dann das Verhältnis von freier zu erzwungener Konvektion.

Beispiel

Eine Umwälzpumpe transportiert warmes Wasser von der Heizungsanlage zu den Heizkörpern.

Magnetohydrodynamik

Als weitere treibende Kräfte können magnetische und elektrische Felder wirken. Mathematisch formuliert wird dies in der Magnetohydrodynamik.

Beispiele

  • Das Erdmagnetfeld wird durch den Dynamoeffekt erzeugt.
  • Die Struktur der Korona der Sonne, insbesondere Sonnenflecken werden mit der MHD erklärt.

Oberflächenspannung (Marangoni-Konvektion)

Der Marangoni-Effekt verursacht die Weintränen, die hier im Schatten des Weinglases gut zu erkennen sind.

Als Marangoni-Konvektion bezeichnet man eine Strömung, die durch den Gradienten der Grenzflächenspannung entsteht. Ursache für die unterschiedliche Grenzflächenspannung können z. B. ein Temperaturgefälle oder Konzentrationsgefälle gelöster Stoffe entlang der Grenzfläche sein. Das Fluid strömt dabei entlang der Grenzfläche in Richtung der größeren Spannung. Als Kennzahl zur Charakterisierung der Marangoni-Konvektion eignet sich die Marangoni-Zahl, welche sich als das Verhältnis von Grenzflächenspannung zur Viskosität verstehen lässt.

Beispiele

Beobachten lässt sich die Marangoni-Konvektion, wenn kleine Rußpartikel im flüssigen Wachs einer Kerze schwimmen. In der Nähe der Flamme ist die Oberfläche des flüssigen Wachses heißer als weiter außen am Rand der Kerze. Da im Allgemeinen die Grenzflächenspannung mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Grenzflächenspannung dicht an der Flamme geringer als am Rand der Kerze. Dadurch wird die Oberfläche nach außen gerissen und nimmt oberflächennahes Wachs mit, das dadurch zu einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese wird durch die Rußpartikel sichtbar.

Ein weiteres bekanntes Beispiel sind die sogenannten Weintränen. Aufgrund der Adhäsion kriecht ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Glasoberfläche hoch. Da Alkohol schneller verdunstet als Wasser, wird nach oben hin die Alkoholkonzentration geringer und dadurch die Oberflächenspannung größer, weitere Flüssigkeit strömt nach, bis die Schwerkraft überwiegt. Herablaufende Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung zieht sich beim Durchqueren der Zone mit geringer Oberflächenspannung zu schmalen Rinnsalen zusammen.

Der Marangoni-Effekt spielt eine maßgebliche Rolle bei der Stabilisierung von flüssigen Schäumen. Hierbei bewirkt der durch eine Störung der Schaumfilmoberfläche induzierte Gradient der Oberflächenspannung einen die Störung heilenden, konvektiven Strom der interlamellaren Flüssigkeit.

Auch ist der Marangoni-Effekt wichtig für Prozesse bei der Metallverarbeitung mit hohen Temperaturgradienten, wie z. B. bei der Halbleiterherstellung oder beim Schweißen.

Mathematische Beschreibung

Die substantielle Ableitung in einem Fluid setzt sich aus der lokalen und der konvektiven Ableitung zusammen. Aufgrund der Kettenregel gilt für eine Fluideigenschaft $ \Phi $:

$ {\frac {{\text{d}}\Phi ({\vec {x}},t)}{{\text{d}}t}}=\underbrace {\frac {\partial \Phi }{\partial t}} _{\mbox{lokal}}+\underbrace {({\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }})\Phi } _{\mbox{konvektiv}} $

In dieser Form tritt der Konvektionsterm insb. in der Konvektions-Diffusions-Gleichung auf.

Speziell ist in den Navier-Stokes- oder Eulergleichungen $ \Phi ={\vec {v}} $ mit der Fluidgeschwindigkeit $ {\vec {v}}={\vec {v}}(x,y,z) $. Damit lautet der Term der konvektiven Beschleunigung $ ({\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {v}} $.[2]

Übertragungs- und Austauschvorgänge

Bei der Konvektion werden physikalische Größen transportiert. Einige dieser Größen können über die Grenzschicht zu angrenzenden Körpern oder Fluiden übertragen oder mit diesen ausgetauscht (insb. die Temperatur). Diese Vorgänge sind abhängig von

  • den Stoffeigenschaften, wie z. B. der Wärmeleitfähigkeit oder der Dichte,
  • der Form der Körper, wie z. B. Rohr, ebene Platte oder unregelmäßige Oberflächenformen und
  • der dadurch beeinflussten Strömung, die laminar oder turbulent sein kann.
  • ggf. weiteren Einflüssen (z. B. Gravitation)

Mit der Konvektion können folgende Übertragungs- und Austauschvorgänge stattfinden:

Treten chemische Reaktionen auf, werden die transportierten Größen zusätzlich beeinflusst. Es entstehen zusätzlich Entropie, Impuls und chemische Reaktionsprodukte. Des Weiteren kann die Wand als Katalysator wirken.

Einige der genannten Vorgänge, wie beispielsweise Erstarren und Verdampfen, finden meist oder nur bei gleichzeitigem Auftreten von Konvektion statt.

Weitere Beispiele

  • Eine dünne Schicht eines nematischen Flüssigkristalls wird mit einem Temperaturfeld oder einem elektrischen Feld beaufschlagt. Unter geeigneten Bedingungen stellt sich eine durch das Temperaturfeld oder das elektrische Feld (elektrische Konvektion) angetriebene Konvektionströmung ein. Bei mittlerer Stärke des Feldes bilden sich Konvektionswalzen in der anisotropen Schicht, bei hoher Stärke des Feldes lösen sich die Muster durch den Übergang in turbulente Strömungen auf.[3]
  • Bei der Züchtung von Einkristallen aus Metalllegierungen kann das gewünschte gleichmäßige Kristallwachstum beim Erstarren der Schmelze durch konvektive Vorgänge gestört, aber auch bewusst beeinflusst werden. Diese Vorgänge sind neben der natürlichen Konvektion (thermisch und infolge von Konzentrationsunterschieden) auch die Marangoni-Konvektion (Schmelze fließt in Richtung hoher Oberflächenspannung) und bei induktiver Heizung oder anderen bewegten Magnetfeldern auch eine elektromagnetische Konvektion.[4]

Literatur

  • Michael Jischa: Konvektiver Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch. Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden 1982, ISBN 3-528-08144-9.
  • Ulrich Kilian, Christine Weber [Red.]: Lexikon der Physik in sechs Bänden. Band 3. Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 3-86025-293-3.

Weblinks

Wiktionary: Konvektion – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Konvektion – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Konvektion. In: Duden online. Abgerufen am 11. Juni 2019.
  2. Skript M. Fraaß, Beuth Hochschule
  3. Ingo Rehberg: Musterbildung in hydrodynamischen Systemen. (PDF, 3,28 MB) 1994, abgerufen am 6. Januar 2015 (25. Ferienkurs des IFF Jülich: Komplexe Systeme zwischen Atom und Festkörper).
  4. Holger Bitterlich: Züchtung und physikalische Eigenschaften von Seltenerd-Übergangsmetall-Einkristallen. Dissertation, Technische Universität Dresden. 2000, abgerufen am 6. Januar 2015.