Sie haben wahrscheinlich gesehen, dass eine Tasse heißer Tee, wenn er längere Zeit auf einem Tisch steht, abkühlt. Dies liegt an der Wärmeabgabe an die Umgebung. Folglich wird Wärmeübertragung als Übertragung von Wärme oder thermischer Energie von einem physikalischen System auf ein anderes beschrieben. Wenn also zwei Körper einen Temperaturunterschied haben, wird Wärme vom heißen Körper zum kühleren Körper transportiert. Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung sind die drei häufigsten Arten der Wärmeübertragung. Wir werden in diesem Beitrag über Wärmeübertragung durch Konvektion sprechen.

Konvektion

Die Wirkung der Wärmeübertragung durch Bewegung einer großen Anzahl von Molekülen in Fluiden wie Gasen und Flüssigkeiten wird als Konvektion bezeichnet.

Die anfängliche Wärmeübertragung zwischen dem Gegenstand und der Flüssigkeit erfolgt durch Wärmeleitung, aber der Großteil der Wärmeübertragung erfolgt aufgrund der Flüssigkeitsbewegung.

Feststoffe erfahren keine Konvektion, da sich ihre Grundteilchen nicht bewegen. Der Prozess der Wärmediffusion in Festkörpern wird als Wärmeleitung bezeichnet. Gase und Flüssigkeiten sind unter normalen Bedingungen schlechte Wärmeleiter, können jedoch schnell Wärme durch Konvektion transportieren.

Konvektionswärmeübertragung: Wie funktioniert es?

Konvektion ist der Prozess der Wärmeübertragung zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit oder Flüssigkeit, die mit dem Feststoff in Kontakt ist. Bei der Übertragung von Wärme von einer Flüssigkeit zur anderen durch eine Barriere ist Konvektion unerlässlich. Konvektionswärmeübertragung erfolgt entweder durch thermische Diffusion (Fluidmolekülbewegung) oder Advektion, bei der Wärme durch die Massenbewegung von Wärmeströmen in der Flüssigkeit übertragen wird.

Wärmeausdehnung tritt auf, wenn eine Flüssigkeit von unten erhitzt wird. Die Dichte der Flüssigkeit nimmt in tieferen Schichten ab, wenn sie heißer wird. Der heißere, weniger dichte Teil der Flüssigkeit steigt aufgrund des Auftriebs und wird durch dichtere, kältere Flüssigkeit ersetzt. Wenn sich dieser Teil erwärmt, steigt er ebenfalls auf und wird durch die obere kältere Schicht ersetzt, und der Vorgang wiederholt sich. Auf diese Weise wird Konvektion zur Übertragung von Wärme genutzt.

Art der Konvektion

Konvektion kann in zwei Arten unterteilt werden:

• Natürliche Konvektion
• Erzwungene Konvektion

Natürliche Konvektion: Wenn der Temperaturunterschied auftritt, verursacht er einen Dichteunterschied, der die Auftriebskraft erzeugt und Konvektion auftritt. Dieser Vorgang wird als natürliche Konvektion bezeichnet. Ozeanische Winde sind ein Beispiel für natürliche Konvektion.

Erzwungene Konvektion: Tritt auf, wenn eine externe Quelle wie eine Pumpe oder ein Lüfter verwendet wird, um Konvektion zu erzeugen. Beispiele für erzwungene Konvektion sind die Verwendung von Wassergeysiren oder Heizgeräten zur schnellen Wassererwärmung sowie die Verwendung von Ventilatoren an warmen Sommertagen.

Newtonsches Abkühlungsgesetz

Unter typischen Umständen ist die Konvektionswärmeübertragung proportional zum Temperaturunterschied zwischen den Komponenten. Dieses Phänomen wurde durch das Newtonsche Abkühlungsgesetz beschrieben, das besagt:

Die Rate der Wärmeübertragung von jemandem an seine Umgebung durch Konvektion hängt mit dem Temperaturunterschied zwischen ihnen zusammen. Der Temperaturunterschied sollte minimal sein und die Beschaffenheit der strahlenden Oberfläche sollte unverändert bleiben.

Das Newtonsche Gesetz der Kühlung ist mit erzwungener Konvektion verbunden, die wie folgt geschrieben wird:

P = dq⁄dt = hA(T _s -T _f )

Dabei ist P = dq⁄dt die Wärmeübertragungsrate, h der Wärmeübertragungskoeffizient der Konvektion, A die exponierte Körperoberfläche, T _s die Körpertemperatur und T _f  die Flüssigkeitstemperatur.

Der Wert des Wärmedurchgangskoeffizienten hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Viskosität
• Dichte
• Spezifische Wärmekapazität
• Wärmeleitfähigkeit

Beispiele für Konvektion

• Warmes Wasser fließt in Richtung der Pole, wenn es sich dem Äquator nähert, während kühleres Wasser in Richtung Äquator fließt.
• Warmblüter nutzen die Konvektion, um ihr Blut zu zirkulieren, was hilft, ihre Körpertemperatur zu regulieren.
• Das Phänomen des See- und Landwindes ist eines der am weitesten verbreiteten Beispiele natürlicher Konvektion.

Meeresbrise: Tagsüber weht ein Meereswind. Sowohl das Wasser als auch das Land werden von der Sonne erwärmt. Da Wasser eine höhere Heizkapazität als Land hat, erhält es mehr Sonnenenergie, erwärmt sich aber deutlich langsamer. Infolgedessen steigt die Temperatur über dem Land und erwärmt die Luft in der Umgebung.

Warme Luft dehnt sich aus, weil sie weniger dicht ist, was zu einem Tiefdruckgebiet über dem Land entlang der Küste führt. Inzwischen steht das Wasser unter deutlich höherem Druck. Aufgrund des Druckunterschieds in der Luft strömt die Luft vom Meer zum Land. Infolgedessen ist ein unerwarteter Windstoß zu spüren, der als Meeresbrise bekannt ist .

Land Breeze: Wenn sich die Situation nachts ändert, treten diese Phänomene auf. Das Land und das Meer beginnen mit den Sonnenuntergängen zu kühlen. Aufgrund von Schwankungen in der Wärmekapazität verliert das Land im Vergleich zu Wasser schneller Wärme. Im Vergleich dazu wird die Wassertemperatur höher, was dort zu einem niedrigen Luftdruck führt. Dadurch entsteht vor der Küste ein kühler Wind, der als Landwind bekannt ist.

Beispielprobleme

Aufgabe 1: Welche Rolle spielt Konvektion in unserem täglichen Leben?

Antworten:

In den folgenden Situationen wird Konvektion verwendet:

• Wenn Wasser auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, dehnen sich die Wassermoleküle aus und zirkulieren in der Nähe. Durch den Wärmetransport in verschiedene Bereiche des Topfes beginnt das kalte Wasser zu sinken, während das erwärmte Wasser aufsteigt.
• Die Luft im Heißluftballon wird kontinuierlich erhitzt und dadurch wärmer. Der Ballon steigt wie die warme Luft auf.
• Am Nachmittag ist das Land in der Nähe des Meeres wärmer als am Abend. Durch das Konzept der Konvektion steigt erwärmte Luft auf und wird durch kältere Luft ersetzt. Ebenso ist die Luft in Wassernähe nachts wärmer als die Luft in Küstennähe. Dies geschieht, weil erwärmte Luft aufsteigt und durch kalte Luft ersetzt wird.

Problem 2: Warum erfahren feste Materialien keine Konvektion?

Antworten:

Konvektion ist der Prozess der Wärmeübertragung durch Bewegung von Partikeln. Da sich die festen Teilchen nicht bewegen, ist in festen Stoffen keine Konvektion möglich.

Aufgabe 3: Durch welche Prozesse entsteht Konvektion?

Antworten:

Beim Übertragen von Wärme von einer Flüssigkeit auf eine andere durch eine Barriere ist Konvektion unerlässlich. Konvektionswärmeübertragung erfolgt entweder durch thermische Diffusion (Fluidmolekülbewegung) oder Advektion, bei der Wärme durch die Massenbewegung von Wärmeströmen in der Flüssigkeit übertragen wird.

Aufgabe 4: Was bedeutet „freie“ oder „natürliche“ Konvektion?

Antworten:

Der Mechanismus der Wärmeübertragung wird als freie oder natürliche Konvektion angesehen, wenn die Flüssigkeitsbewegung durch eine durch Temperaturgradienten verursachte Dichteänderung verursacht wird.

Aufgabe 5: Natürliche oder induzierte Konvektion, welche hat einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten? Was ist der Grund dafür?

Antworten:

Da der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient hauptsächlich durch Eigenschaften wie Fluiddichte, Geschwindigkeit und Viskosität bestimmt wird, ist er bei erzwungener Konvektion im Allgemeinen größer als bei natürlicher Konvektion.