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Kon­vek­ti­on (Wär­me­über­tra­gung)

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

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Die­ser Arti­kel wur­de in die Qua­li­täts­si­che­rung der Redak­ti­on Phy­sik ein­ge­tra­gen. 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. 

Kon­vek­ti­on (von latei­nisch con­ve­he­re ‚zusam­men­tra­gen‘, ‚zusam­men­brin­gen‘) oder Wär­me­strö­mung ist, neben Wär­me­lei­tung und Wär­me­strah­lung, einer der drei Mecha­nis­men zur Wär­me­über­tra­gung von Ener­gie von einem Ort zu einem ande­ren. Kon­vek­ti­on ist stets mit dem Trans­port von Teil­chen ver­knüpft, die ihre Ener­gie mit­füh­ren, daher wird auch die Bezeich­nung Wär­me­mit­füh­rung ver­wen­det. In nicht-per­me­ab­len Fest­kör­pern oder im Vaku­um kann es folg­lich kei­ne Kon­vek­ti­on geben. Kon­vek­ti­on ist in Gasen oder Flüs­sig­kei­ten kaum zu vermeiden. 

Auch Fest­stoff­par­ti­kel in Flu­iden kön­nen an der Kon­vek­ti­on betei­ligt sein, sie­he z. B. Wir­bel­schicht. Fest­kör­per kön­nen also auch durch Bewe­gung Wär­me­en­er­gie trans­por­tie­ren, wenn sie die­se an einem Ort auf­neh­men und spä­ter an einem ande­ren abge­ben, was aber für sich kei­ne Kon­vek­ti­on ist. Erst die Strö­mung eines Flu­ids ermög­licht die Konvektion. 

Im Zusam­men­hang mit Strö­mun­gen fin­den neben der hier beschrie­be­nen Wär­me­über­tra­gung durch Kon­vek­ti­on (Wär­me­strö­mung) wei­te­re kon­vek­ti­ve Vor­gän­ge statt, die neben Ener­gie wei­te­re phy­si­ka­li­sche Grö­ßen übertragen. 

All­ge­mei­nes

Kon­vek­ti­on wird durch eine Strö­mung her­vor­ge­ru­fen, die Teil­chen beför­dert. Ursa­che für die trans­por­tie­ren­de Strö­mung kön­nen unter­schied­li­che Kräf­te sein, wie z. B. die Schwer­kraft oder Kräf­te, die von Druck-, Dich­te-, Tem­pe­ra­tur- oder Kon­zen­tra­ti­ons­un­ter­schie­den herrühren. 

Man unter­schei­det dabei die 

Freie Kon­vek­ti­on auf­grund ther­mi­scher Dich­t­e­un­ter­schie­de: Bei Erwär­mung deh­nen sich Stof­fe in der Regel aus (Aus­nah­me z. B. die Dich­te­ano­ma­lie des Was­sers). Unter Ein­wir­kung der Gra­vi­ta­ti­ons­kraft stei­gen inner­halb eines Flu­ids Berei­che mit gerin­ge­rer Dich­te gegen das Gra­vi­ta­ti­ons­feld auf (Sta­ti­scher Auf­trieb), wäh­rend Berei­che mit höhe­rer Dich­te dar­in absinken. 

Wenn an der Unter­sei­te Wär­me zuge­führt wird und an der Ober­sei­te die Mög­lich­keit zur Abküh­lung besteht, so ent­steht kon­ti­nu­ier­li­che Strö­mung: Das Flu­id wird erwärmt, dehnt sich dabei aus und steigt nach oben. Dort ange­langt kühlt es sich ab, zieht sich dabei wie­der zusam­men und sinkt ab, um unten erneut erwärmt zu werden. 

Kon­vek­ti­on ohne Stoffaustausch

Wand mit beid­sei­ti­ger Konvektion

Das Bild zeigt den Tem­pe­ra­tur­ver­lauf in einer fes­ten Wand mit beid­sei­ti­gem kon­vek­ti­vem Wär­me­über­gang. In der Wand wer­den kei­ne Ato­me bewegt, des­halb liegt dort Wär­me­lei­tung vor. 

Wäh­rend im fes­ten Kör­per eine rei­ne Wär­me­lei­tung mit linea­rem Tem­pe­ra­tur­ver­lauf statt­fin­det, ver­läuft der Wär­me­trans­port im Flu­id inner­halb einer ther­mi­schen Grenz­schicht. Bedingt durch die loka­le Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit, die direkt an der Wand gleich Null sein muss, liegt in Wand­nä­he zunächst eben­falls eine Wär­me­lei­tung im Flu­id vor, die kon­ti­nu­ier­lich durch Mischungs­vor­gän­ge über­la­gert wird, so dass der wand­nah linea­re Tem­pe­ra­tur­ver­lauf in einen nicht­li­nea­ren über­geht, und zwar unab­hän­gig davon, in wel­cher Rich­tung die Wär­me strömt. 

Die Kon­vek­ti­on wird hier bestimmt durch die „Grenz­schicht“, die Schicht zwi­schen bei­den Volu­mi­na, in der sich die phy­si­ka­li­schen Para­me­ter von denen der bei­den Volu­mi­na unter­schei­den. Die wesent­li­chen Para­me­ter sind die Tem­pe­ra­tur und die Zusam­men­set­zung der Stof­fe, sowie die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit. Jeder die­ser Para­me­ter bil­det eine eige­ne Grenz­schicht. Im Fal­le der Kon­vek­ti­on zwi­schen Flu­iden ist die Bestim­mung der Grenz­schich­ten meis­tens sehr schwie­rig bis unmög­lich, da sie mess­tech­nisch nicht oder schlecht erfass­bar sind und sich oft mit hoher Fre­quenz ändern. 

Der Wär­me­strom wird durch die Wär­me­über­gangs­zahl α oder die dimen­si­ons­lo­se Nußelt-Zahl Nu beschrieben. 

Natur­ge­mäß ist bei der frei­en Kon­vek­ti­on die Rich­tung der Strö­mung durch die Gra­vi­ta­ti­on vor­ge­ge­ben, denn die Strö­mung wird durch Dich­te- und damit Gewichts­un­ter­schie­de bewirkt. Für eine opti­ma­le Nut­zung ist des­halb eine ver­ti­ka­le Aus­rich­tung der Ober­flä­che des fes­ten Kör­pers anzu­stre­ben. Bei erzwun­ge­ner Kon­vek­ti­on dage­gen ist die Aus­rich­tung im Raum belie­big, da die Strö­mung nor­ma­ler­wei­se kon­struk­tiv so dimen­sio­niert wird, dass der Anteil der unver­meid­ba­ren frei­en Kon­vek­ti­on unmaß­geb­lich ist. 

Da sich bei letz­te­rer die den Wär­me­strom kenn­zeich­nen­den Para­me­ter (Tem­pe­ra­tur­un­ter­schie­de, Dich­t­e­un­ter­schie­de, Auf-/Ab­trieb, Strö­mungs­ge­schwin­dig­kei­ten) gegen­sei­tig beein­flus­sen, ist die Bestim­mung der Wär­me­über­tra­gung von tech­ni­schen Bau­tei­len sehr kom­pli­ziert. So muss bei­spiels­wei­se die Leis­tungs­mes­sung an Raum­heiz­kö­pern für jeden Typ und jede Grö­ße unter unter­schied­li­chen Betriebs­be­din­gun­gen bei fest vor­ge­ge­be­nen Rand­be­din­gun­gen ein­zeln mess­tech­nisch ermit­telt wer­den. Eine rech­ne­ri­sche Simu­la­ti­on ist dage­gen selbst mit heu­ti­gen Hoch­leis­tungs­rech­nern noch auf­wen­di­ger und vor allem ungenauer. 

Der Vor­teil der frei­en Kon­vek­ti­on ist der, dass der Wär­me­trans­port ohne zusätz­li­che Antriebs­en­er­gie und ‑appa­ra­te erfolgt, aller­dings gibt die Gra­vi­ta­ti­on Gren­zen in der ört­li­chen Ver­tei­lung vor, da die Strö­mung vor­zugs­wei­se ver­ti­kal aus­ge­rich­tet ist. Nach­tei­lig ist der schlech­te Wär­me­über­gang, der durch gro­ße Flä­chen kom­pen­siert wer­den muss. Der Wär­me­trans­port mit Flu­iden über gro­ße Ent­fer­nun­gen ist wegen der ther­mi­schen Ver­lus­te für bei­de Arten der Kon­vek­ti­on nach­tei­lig, zum Bei­spiel bei Fern­wär­me.

Mit frei­er Kon­vek­ti­on ist auch ein Zir­ku­la­ti­ons­sys­tem mög­lich, wenn eine Wär­me­quel­le und eine ‑sen­ke in einem geschlos­se­nen Raum vor­han­den sind (Bei­spiel: Raum­hei­zung, Wär­me­rohr), das in gewis­sen Gren­zen selbst­re­gelnd wirkt (Gegen­kopp­lung), da bei anstei­gen­der Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz die Zir­ku­la­ti­on zunimmt und umgekehrt. 

Der Wär­me­über­gang kann, auch bei frei­er Kon­vek­ti­on, erheb­lich effek­ti­ver sein, wenn das Flu­id im Arbeits­tem­pe­ra­tur­be­reich einen Sie­de­punkt hat, zum Bei­spiel der Kon­den­sa­tor einer Käl­te­ma­schi­ne (die Rohr­schlan­ge außen an der Rück­sei­te eines Haus­halts­kühl­schranks, in der auf der Innen­sei­te das Käl­te­mit­tel kon­den­siert). Hin­zu kommt der Vor­teil, dass der Wär­me­über­gang auf die­ser Sei­te fast voll­stän­dig iso­therm ver­läuft, das heißt die Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz zur Raum­luft im gan­zen Rohr nahe­zu gleich ist. 

Kon­vek­ti­on in einer hori­zon­ta­len Schicht

Ein über einer geheiz­ten hori­zon­ta­len Flä­che ste­hen­des Flu­id (Bei­spiel: Luft über erwärm­ter Erd­ober­flä­che, Was­ser im Koch­topf) über­strömt die Flä­che bei sehr gerin­gem Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied und feh­len­den äuße­ren Ein­flüs­sen nicht. Es fin­det nur Wär­me­lei­tung und Wär­me­dif­fu­si­on statt. Bei höhe­rem Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied bil­den sich Kon­vek­ti­ons­strö­mun­gen in Form rol­len­för­mi­ger oder sechs­ecki­ger Struk­tu­ren, die Kon­vek­ti­ons­zel­len oder Bénard-Zel­len. Bei wei­ter stei­gen­dem Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied wer­den die Struk­tu­ren tur­bu­lent, sie­he Gra­nu­la­ti­on (Astro­no­mie).

Kon­vek­ti­on mit Stoffaustausch

Oft ist das „ande­re“ Volu­men aber selbst auch ein Flu­id, was zur Fol­ge hat, dass die Grenz­flä­chen flie­ßend inein­an­der über­ge­hen und in vie­len Fäl­len zu dem Wär­me­aus­tausch ein Stoff­aus­tausch hin­zu­kommt, das heißt, dass hier auch eine Anglei­chung der Stoff­zu­sam­men­set­zung erfolgt. Über­strömt das Flu­id einen Fest­stoff oder ein Stoffgemisch mit einem nied­ri­ge­ren Sät­ti­gungs­dampf- oder Sub­li­ma­ti­ons­druck, so führt dies zu einem Stoff­aus­tausch, indem der Stoff, des­sen Dampf- oder Sub­li­ma­ti­ons­druck über­schrit­ten wird, in das Flu­id dif­fun­diert (Bei­spiel: Trock­nung). Dazu ist eine Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz nicht unbe­dingt erfor­der­lich, aber för­der­lich. Die­se stellt sich in der Regel schon dadurch ein, dass der Stoff, der ver­dampft oder sub­li­miert wird, die Ver­damp­fungs­enthal­pie sei­ner eige­nen fes­ten oder flüs­si­gen Pha­se ent­zieht und die­se damit abkühlt, was jedoch auch schon bei einer Ver­duns­tung der Fall ist (sie­he Sie­de­küh­lung).

Natür­li­che Kon­vek­ti­on kann in die­sem Fall auch dadurch ent­ste­hen, dass infol­ge des Stoff­trans­ports das Flu­id sei­ne Dich­te ver­än­dert und damit den Auf- bzw. Abtrieb erhält, wenn die Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz dazu zu gering ist. 

Der Vor­gang ist dadurch gekenn­zeich­net, dass der Wär­me- von einem Stoff­trans­port über­la­gert wird. Bei­de fol­gen den in etwa glei­chen Gesetz­mä­ßig­kei­ten, was als die „Ana­lo­gie zwi­schen Wär­me- und Stoff­aus­tausch“ bezeich­net wird. Dies drückt sich auch in der mathe­ma­ti­schen Beschrei­bung aus: der Wär­me­trans­port wird durch das Fou­rier­sche, der Stoff­trans­port durch das Fick­sche Gesetz beschrie­ben, die for­mal gleich sind, sich ledig­lich durch die Varia­blen Tem­pe­ra­tur bezie­hungs­wei­se Kon­zen­tra­ti­on und die jewei­li­gen Über­gangs­wi­der­stän­de unterscheiden. 

Bei nicht mit­ein­an­der misch­ba­ren Flüs­sig­kei­ten, bei­spiels­wei­se Was­ser und Öl, sind die Vor­gän­ge bei gerin­gen Strö­mungs­ge­schwin­dig­keits­dif­fe­ren­zen mit denen an einer fes­ten Wand ver­gleich­bar, bei höhe­ren kann eine Trop­fen­bil­dung auf­tre­ten, die zu einer Emul­si­on führt. Die­se wie­der­um führt zu einer erhöh­ten Wär­me­über­tra­gung infol­ge einer Ver­grö­ße­rung der Grenz­flä­chen an den Tropfen. 

Sind bei­de Flu­ide mit­ein­an­der misch­bar, wie das bei Gasen immer der Fall ist, so gibt es kei­ne Grenz­flä­che, die die Grenz­schicht sta­bi­li­sie­ren könn­te. Ein typi­scher Fall ist eine Flam­me, bei­spiels­wei­se einer Ker­ze oder eines Feu­er­zeugs. Bedingt durch die Kon­vek­ti­on der auf­strö­men­den Gase strömt ihre eige­ne Ver­bren­nungsluft auf­grund des erzeug­ten Unter­drucks von unten nach. Vom Flam­men­kern nach außen ent­steht ein star­kes Tem­pe­ra­tur­ge­fäl­le, durch das die Flamm­ga­se auf­stei­gen, die umge­ben­de Luft „ansau­gen“ und nach oben „mit­füh­ren“. Schon bei rela­tiv gerin­gen Strö­mungs­ge­schwin­dig­keits­dif­fe­ren­zen fin­det Ver­wir­be­lung und dar­aus fol­gend eine Ver­mi­schung statt. 

Gro­ße Dich­t­e­un­ter­schie­de von Gasen kön­nen eine Grenz­schicht trotz eines gro­ßen Tem­pe­ra­tur­ge­fäl­les sta­bi­li­sie­ren, so haben etwa die Schwe­fel­säure­wol­ken der Venus eine meist struk­tur­lo­se Ober­flä­che und Lei­ter­plat­ten tau­chen beim Dampf­pha­sen­lö­ten sicht­bar in den hei­ßen Galden™-Dampf ein. 

Bei­spie­le

Freie Kon­vek­ti­on

  • Golf­strom: Aus der Kari­bik wird war­mes Ober­flä­chen­was­ser zunächst ent­lang der Ost­küs­te der USA, dann wei­ter in nord­öst­li­cher Rich­tung quer über den Atlan­tik an Irland vor­bei trans­por­tiert. Durch Ver­duns­tungs­ver­lus­te und die damit ver­bun­de­ne Erhö­hung der Salz­kon­zen­tra­ti­on wird das Was­ser spe­zi­fisch schwe­rer und sinkt bei Island in die Tie­fe. Ohne die­se „Warm­was­ser­hei­zung“ wären die Tem­pe­ra­tu­ren in Euro­pa so nied­rig wie in Mittelkanada.
  • Die Erd­at­mo­sphä­re und die Ozea­ne bezie­hungs­wei­se Mee­re bil­den ein Sys­tem frei­er Kon­vek­ti­on mit einem Zwei­pha­sen­sys­tem Luft/Was­ser, mit Ver­damp­fung/Kon­den­sa­ti­on und Mischung/​Entmischung (Wol­ken/Regen) sowie Wär­me­quel­len (solar erwärm­te Flä­chen auf dem Fest­land und den Mee­ren) und Wär­me­sen­ken (der Son­ne abge­wand­ten Sei­te der Erde und pol­na­he Regio­nen), Zir­ku­la­ti­on. Luft wird am war­men Erd­bo­den erwärmt und steigt nach oben, ein ent­schei­den­der Fak­tor für die Ent­ste­hung von Wind, Wol­ken und Gewit­tern. Groß­räu­mi­ger hori­zon­ta­ler Wär­me­trans­port wird auch als Advek­ti­on bezeichnet.
  • In der tem­pe­ra­tur­be­ding­ten Dich­te­schich­tung von Seen kommt es zu Zei­ten der Abküh­lung an der Ober­flä­che (nachts und im Herbst) zu ver­ti­ka­len Kon­vek­ti­ons­strö­mun­gen zwi­schen obe­ren und unte­ren Wasserschichten.
  • Im Inne­ren der Erde sind Gestei­ne bedingt fließ­fä­hig und trans­por­tie­ren über einen lan­gen Zeit­raum hin­weg Wär­me. Auch der Erd­man­tel und der äuße­re Erd­kern bil­den, bei der Betrach­tung über erd­ge­schicht­li­che Zeit­räu­me hin­weg, Kon­vek­ti­ons­sys­te­me. Die­se sind die Ursa­che für die Plat­ten­tek­to­nik und damit für Erd­be­ben und Vul­ka­ne. Man spricht von einer Man­tel­kon­vek­ti­on durch die so genann­ten Plu­mes. Im äuße­ren Kern erzeugt die Kon­vek­ti­on der flüs­si­gen Eisen­le­gie­rung das Erd­ma­gnet­feld.
  • In Ster­nen und erkal­ten­den Pla­ne­ten trans­por­tiert Kon­vek­ti­on ther­mi­sche Ener­gie aus dem Inne­ren nach außen.
  • Die kör­ni­ge Struk­tur der Son­nen­ober­flä­che ent­steht durch auf- und abstei­gen­des Mate­ri­al in den äuße­ren Berei­chen der Son­ne. Hei­ße­res und hel­ler leuch­ten­des Mate­ri­al steigt in den Gra­nu­len auf, gibt Wär­me als Strah­lung ab und sinkt in den dunk­le­ren Zonen zwi­schen den Gra­nu­len wie­der ab. Im Gegen­satz dazu sind die Son­nen­fle­cken und Pro­tu­ber­an­zen ein magne­ti­sches Phänomen.
  • Wird der Heiz­kes­sel einer Zen­tral­hei­zung am tiefs­ten Punkt des Hei­zungs­sys­tems instal­liert, kann die­ses ohne Umwälz­pum­pe arbei­ten (Schwer­kraft­hei­zung). Das war­me Was­ser steigt durch Kon­vek­ti­on nach oben in die Heiz­kör­per, kühlt sich dort ab und fließt wie­der nach unten.
  • An der Außen­sei­te von Heiz­kör­pern, Fuß­bo­den­hei­zun­gen und ande­ren Bau­tei­len tritt freie Kon­vek­ti­on der Luft auf: Luft dehnt sich durch Erwär­mung aus und drängt durch den erhöh­ten sta­ti­schen Auf­trieb nach oben. Von unten strömt die küh­le­re Luft über den Boden und den Wän­den nach.
  • Solar­turm, Auf­wind­kraft­werk: Gewin­nung von elek­tri­scher Ener­gie aus frei­er Konvektionsströmung.
  • Beim Segel­flug wird Flug­en­er­gie u. a. aus ther­mi­schem Auf­wind, der so genann­ten Ther­mik gewonnen.
  • Im Kamin (Schorn­stein) stellt die Kon­vek­ti­on sicher, dass die hei­ßen Ver­bren­nungs­ab­ga­se durch den Auf­trieb immer nach außen abge­führt wer­den (Kamin­ef­fekt). Der Kamin muss so dimen­sio­niert sein, dass trotz Wär­me­ab­ga­be über die Innen­wand eine aus­rei­chen­de Auf­triebs­strö­mung erhal­ten bleibt. Das wird durch ent­spre­chen­de Höhe und geeig­ne­te Durch­mes­ser erreicht.
  • In Wohn­häu­sern sorgt der Effekt der Fugen­lüf­tung dafür, dass war­me Luft durch obe­re Fugen ent­weicht und kal­te Luft durch unte­re Spal­ten nachströmt.
  • Wäsche­trock­nung an der Lei­ne: wie Haar­trock­nung, jedoch freie Kon­vek­ti­on (Ver­duns­tung kühlt, Luft strömt abwärts)
  • Wird ein Kühl­schrank geöff­net, strömt kal­te Luft unten her­aus. Im obe­ren Teil der Tür­öff­nung strömt im Gegen­zug war­me Luft hinein.
  • Mit einem Wär­me­rohr kön­nen mit gerin­gem Auf­wand und auf klei­nem Raum gro­ße Ener­gie­men­gen trans­por­tiert wer­den. Effek­ti­ve Küh­lun­gen sind hier­mit möglich.

Erzwun­ge­ne Konvektion

  • Küh­lung von Com­pu­ter-Pro­zes­so­ren mit Lüfter.
  • Was­ser­küh­lung von Kraftfahrzeug-Motoren
  • Bei der Haar­trock­nung mit dem Fön wird durch ein Geblä­se Kon­vek­ti­on erzwungen.
  • Warm­was­ser­hei­zung: Hier sor­gen Umwälz­pum­pen für eine Ver­tei­lung des Warm­was­sers auch in die ent­fern­ten Kom­po­nen­ten der Heizungsanlage.
  • Die Spu­len von Groß­ge­ne­ra­to­ren müs­sen gekühlt wer­den. Die Spu­len im Sta­tor wer­den mit Was­ser gekühlt. Die Spu­len im Rotor dage­gen mit Was­ser­stoff, der durch das Gene­ra­tor­ge­häu­se unter einem Druck von bis zu 10 bar zir­ku­liert und sei­ne Wär­me in einem nach­ge­schal­te­ten Wär­me­über­tra­ger abgibt.

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