Was ver­steht man unter Kon­vek­ti­on (Wär­me­über­tra­gung)

Die Kon­vek­ti­on oder auch Wär­me­strö­mung beschreibt einen Mecha­nis­mus, bei wel­chem Ener­gie von Ort zu Ort über­tra­gen wird. Hier­bei wer­den Teil­chen bewegt und ver­knüpft. Die­se Teil­chen sind mit Ener­gie bela­den. In die­sem Zusam­men­hang wird auch von der Wär­me­mit­füh­rung gespro­chen. Beson­ders häu­fig tritt die Kon­vek­ti­on bei Gasen oder Flüs­sig­kei­ten auf.

For­men der Kon­vek­ti­on

Es wird all­ge­mein unter­schie­den zwi­schen der erzwun­ge­nen und der frei­en bzw. natür­li­chen Kon­vek­ti­on. Bei der erzwun­ge­nen Wär­me­über­tra­gung geschieht der Teil­chen­trans­port über äuße­re Ein­flüs­se. Typi­sche Bei­spie­le hier­für wären ein Geblä­se oder Pum­pen. Bei der natür­li­chen Kon­vek­ti­on wird der Mecha­nis­mus über soge­nann­te Tem­pe­ra­tur­gra­di­en­ten her­vor­ge­ru­fen. Gene­rell ent­steht die Wär­me­über­tra­gung durch Strö­mung. In die­ser Strö­mung wer­den die Teil­chen wei­ter­ge­lei­tet. Ursäch­lich für das Ent­ste­hen einer sol­chen Strö­mung kann die Schwer­kraft sein, aber auch ande­re exo­ge­ne Kräf­te wie Dichte‑, Druck‑, Tem­pe­ra­tur- oder Kon­zen­tra­ti­ons­un­ter­schie­de. Lie­gen Dich­te­un­ter­schie­de auf­grund ther­mi­scher Ver­än­de­run­gen vor, so ent­steht die Über­tra­gung durch die Aus­deh­nung der Stof­fe. Nimmt die Gra­vi­ta­ti­on Ein­fluss, dann ent­steht ein sta­ti­scher Auf­trieb von Tei­len, die eine gerin­ge­re Dich­te auf­wei­sen. Tei­le mit einer höhe­ren Dich­te sin­ken dage­gen ab. Eine Strö­mung kann erzeugt wer­den, indem man von oben Wär­me zuführt und von unten mit Käl­te gegen­ar­bei­tet. Das Flu­id unter­liegt hier­bei einem stän­di­gen Wech­sel zwi­schen warm und kalt. Von einer soge­nann­ten Wir­bel­schicht ist die Rede, wenn fes­te Stoff­par­ti­kel in einem Flu­id kon­ver­tie­ren. Durch ihre Bewe­gun­gen kann die Wär­me­en­er­gie trans­por­tiert wer­den.

Bei­spie­le für freie Kon­vek­tio­nen

Bei der frei­en Kon­vek­ti­on ist es nicht erfor­der­lich, einen zusätz­li­chen Antrieb zu nut­zen. Auch kann ein Zir­ku­la­ti­ons­sys­tem genutzt wer­den. Hier­für benö­tigt man eine Wär­me­quel­le und eine Wär­me­sen­ke sowie einen geschlos­se­nen Raum und eine Gegen­kopp­lung. Wenn das ver­wen­de­te Flu­id einen Sie­de­punkt auf­weist, ist die Kon­vek­ti­on deut­lich effek­ti­ver. Auch der Wär­me­über­gang ist bei­na­he iso­therm.
Der Golf­strom ist ein Bei­spiel. Der Kari­bik ent­springt war­mes Was­ser, wel­ches ent­lang der Ost­küs­te fließt und den Atlan­tik pas­siert. Auf die­sem Weg gesche­hen Ver­duns­tungs­pro­zes­se und die Salz­kon­zen­tra­ti­on nimmt zu. Das Was­ser wird spe­zi­fisch schwe­rer und sinkt ab.

Auch in der Erd­at­mo­sphä­re und in den Ozea­nen kann die freie Kon­vek­ti­on gemes­sen wer­den. Hier­bei haben sowohl das Was­ser als auch die Luft sowie die Vor­gän­ge der Ver­damp­fung durch Infra­rot­strah­lung und der Kon­den­sa­ti­on Ein­fluss auf die Kon­vek­ti­on. Hin­zu kom­men Wol­ken und Regen sowie ver­schie­de­ne Wär­me­quel­len und die Zir­ku­la­ti­on. Zen­tral­hei­zun­gen kön­nen mit Wär­me­über­tra­gung funk­tio­nie­ren, wenn sich der Heiz­kes­sel am tiefs­ten Punkt der Anla­ge befin­det. War­mes Was­ser kann auf­stei­gen und anschlie­ßend durch Abküh­lung wie­der sin­ken. Bei Segel­flug­zeu­gen wird die benö­tig­te Ener­gie durch die Ther­mik gewon­nen. Bei Kami­nen wird sicher­ge­stellt, dass die Ver­bren­nungs­ga­se nach außen beför­dert wer­den (Kamin­ef­fekt). Dies liegt an dem Auf­trieb. Wich­tig sind dabei die Maße des Kamins, um den gewünsch­ten Effekt zu erzie­len. Ein­fa­che­re For­men der Kon­vek­ti­on sind auch das Trock­nen von Wäsche oder der Haa­re.

Erzwun­ge­ne Kon­vek­ti­on

Kon­vek­ti­on kann wie bereits erwähnt auch erzwun­gen wer­den. Dies tritt bei­spiels­wei­se im Zusam­men­hang mit der Lüf­tung von Pro­zes­so­ren auf. Wenn wir wie­der auf die Haar­trock­nung zurück­kom­men, dann kann der Trock­nungs­pro­zess aus künst­lich durch einen Fön her­bei­ge­führt wer­den. Schaut man sich das Prin­zip von Warm­was­ser­hei­zun­gen an, dann sor­gen hier spe­zi­el­le Umwälz­pum­pen dafür, dass das war­me Was­ser in der gesam­ten Anla­ge ver­teilt wird. Im Bereich von Groß­ge­ne­ra­to­ren ist eine Küh­lung der Spu­len erfor­der­lich. Die­se Küh­lung gelingt mit­tels Was­ser im Bereich des Sta­tors und mit Was­ser­stoff, wenn es um die Roto­ren geht. Letz­te­rer zir­ku­liert und gibt Wär­me ab.

Wär­me­über­tra­gung ohne den Aus­tausch von Stof­fen

Die Kon­vek­ti­on kann auch erfol­gen, ohne dass Stof­fe aus­ge­tauscht wer­den. Dies ist dann der Fall, wenn kei­ne Ato­me betei­ligt sind. Hier wird dann von der Wär­me­lei­tung gespro­chen. Flu­id bewegt sich inner­halb einer Grenz­schicht. Ein­fluss auf die Strö­mung haben hier die Tem­pe­ra­tur und die Stoff­zu­sam­men­set­zung. Hin­zu kommt noch die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit. Jeder Para­me­ter weist eine eige­ne Grenz­schicht auf. Wenn es sich um eine freie Kon­vek­ti­on han­delt, ist immer die Gra­vi­ta­ti­on mit im Spiel. Der fes­te Kör­per muss dem­nach ver­ti­kal aus­ge­rich­tet wer­den. Wird die Wär­me­strö­mung erzwun­gen, ist die Rich­tung uner­heb­lich.

Kon­vek­ti­on mit dem Aus­tausch von Stof­fen

Wenn bei­de Stof­fe ein Flu­id sind, dann sind die Grenz­flä­chen flie­ßend. Dies führt dazu, dass es nicht nur zu einem Wär­me­aus­tausch kommt, son­dern auch zu einem Stoff­aus­tausch. Der Fest­stoff mit dem höhe­ren Sät­ti­gungs­dampf- oder Sub­li­ma­ti­ons­druck über­strömt den ande­ren Stoff und dif­fun­diert. Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­de wür­de dies noch unter­stüt­zen. Die Kon­vek­ti­on kann bei der natür­li­chen Form auch durch die Ver­än­de­rung der Dich­te erreicht wer­den. Nie­der­ge­schrie­ben ist die Sys­te­ma­tik des Stoff­aus­tauschs im Fick­schen Gesetz. Vor­aus­set­zung für den Stoff­aus­tausch ist, dass sich die Stof­fe grund­sätz­lich ver­mi­schen kön­nen. Bei Was­ser und Öl wäre dies bei­spiels­wei­se nicht der Fall. Bei hohen Strö­mungs­ge­schwin­dig­keits­dif­fe­ren­zen wür­de eine Trop­fen­bil­dung ent­ste­hen. Wenn die Flui­de aller­dings misch­bar sind, dann ent­fal­len die Grenz­flä­chen. Dies kann man zum Bei­spiel bei einer Flam­me beob­ach­ten. Hier strö­men Gase auf, es ent­steht ein Unter­druck und die Ver­bren­nungs­luft steigt auf. Es ent­ste­hen Tem­pe­ra­tur­dif­fe­ren­zen inner­halb der Flam­me. Dies führt in der Ver­bin­dung zu einer Ver­wir­be­lung und einer Ver­mi­schung der Stof­fe.

Hori­zon­ta­le Kon­vek­ti­on

Ist eine geheiz­te hori­zon­ta­le Flä­che gege­ben und liegt das Flu­id dar­über, dann sind bei klei­nen Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­den sowie dem Feh­len exo­ge­ner Ein­flüs­se kei­ne Strö­me mess­bar. Erst wenn der Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied grö­ßer wird, kommt es zu Kon­vek­ti­ons­strö­mun­gen. Die­se haben ent­we­der eine rol­len­för­mi­ge oder eine sechs­ecki­ge Struk­tur. Bekannt sind die­se Struk­tu­ren als Kon­vek­ti­ons­zel­len oder auch Bénard-Zel­len. Je grö­ßer die Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­de wer­den, des­to tur­bu­len­ter wird es. Ein Bei­spiel hier­für ist die Gra­nu­la­ti­on aus dem Bereich der Astro­no­mie.

Maran­go­ni-Kon­vek­ti­on

Hier kommt die Ober­flä­chen­span­nung ins Spiel. Die Kon­vek­ti­on wird aus­ge­löst durch die Grenz­flä­chen­span­nung. Auch hier kann ein Tem­pe­ra­tur­ge­fäl­le vor­lie­gen oder gelös­te Stof­fe kön­nen in einem Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­le lie­gen. Das Flu­id beginnt zu strö­men. Dabei bewegt es sich dort­hin, wo die höhe­re Span­nung besteht. Die cha­rak­te­ris­ti­sche Kenn­zahl in die­sem Zusam­men­hang ist die Maran­go­ni-Zahl. Sie beschreibt das Ver­hält­nis zwi­schen der Grenz­flä­chen­span­nung und der Vis­ko­si­tät. In der Pra­xis ist die­ses Phä­no­men bei­spiels­wei­se bei Ker­zen zu beob­ach­ten. Wenn die Ker­ze brennt lässt sich an den Ruß­par­ti­keln die Strö­mung erken­nen, die sich im Kreis bewe­gen. Erklärt wer­den kann dies dadurch, dass das flüs­si­ge Wachs in unmit­tel­ba­rer Nähe zur Flam­me am hei­ßes­ten ist und ent­spre­chend nach außen hin an Tem­pe­ra­tur abnimmt. Steigt die Tem­pe­ra­tur, sinkt die Grenz­flä­chen­span­nung. Somit ist die Grenz­flä­chen­span­nung des Wach­ses, das sich direkt an der Flam­me befin­det, nied­ri­ger. Die Ober­flä­che wird nach außen geris­sen. Wachs, das an der Ober­flä­che liegt, wird mit­ge­zo­gen. Dies ruft die Strö­mung her­vor. Neben die­sem Bei­spiel kann man den Vor­gang auch bei Wein beob­ach­ten. Hier spricht man von den soge­nann­ten Wein­trä­nen. Durch Adhä­si­on „kriecht“ Flüs­sig­keit das Glas hoch. Die Alko­hol­kon­zen­tra­ti­on ist oben gerin­ger, da Alko­hol einer schnel­le­ren Ver­duns­tung unter­liegt als Was­ser. Die Ober­flä­chen­span­nung wächst. Die Flüs­sig­keit strömt ste­tig nach, bis durch die Schwer­kraft bedingt die Flüs­sig­keit wie­der her­ab­läuft. Hier­durch ent­ste­hen Rinn­sa­le.

Kon­vek­ti­ve Sys­te­me

In der Natur fin­det man ver­schie­de­ne kon­vek­ti­ve Sys­te­me. Hier­zu gehö­ren unter ande­rem die Geo­dy­na­mik, die im Erd­man­tel statt­fin­det, die ther­mo­ha­li­ne Zir­ku­la­ti­on in den Ozea­nen oder auch Kon­vek­tio­nen im Bereich der Atmo­sphä­re. Dar­über hin­aus gehö­ren auch der Ener­gie­trans­port der Son­ne, das Erd­ma­gnet­feld oder kon­vek­ti­ve Zonen inner­halb von Ster­nen zu die­sem The­men­feld.

Quel­le