Was passiert, wenn Sie eine Schüssel heiße Suppe auf einem Tisch stehen lassen? Es wird nach einiger Zeit aufgrund des Wärmeverlustes an die Umgebungsluft kalt. Und das ist (Wärmeübertragung), was wir Konvektion nennen.
Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Strahlung, Leitung und Konvektion. In der Strahlung wird Wärme in Form von elektromagnetischen Wellen übertragen. In der Leitung bewegt sich Wärme zwischen Körper, die physisch verbunden sind.,
Die Konvektion ist jedoch die komplexeste Form der Wärmeübertragung, da sie die Massenbewegung von Molekülen in Flüssigkeiten wie Flüssigkeiten und Gasen beinhaltet. In einfachen Worten kann Konvektion nur in Flüssigkeiten und Gasen auftreten.
Konvektive Wärme – und Massenübertragung (in Flüssigkeiten) erfolgt über zwei Mechanismen:
- Diffusion: die Nettobewegung von Molekülen aus einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration.
- Advektion: Transport von Materie oder Wärme durch die Massenbewegung von Strömen in der Flüssigkeit.,
Keiner der Prozesse findet in starren Feststoffen statt. Konvektive Wärmeübertragung kann jedoch in weichen Feststoffen oder Gemischen auftreten, in denen feste Partikel von einer Position zur anderen wandern können.
Die konvektive Wärmeübertragung kann in zwei Kategorien unterteilt werden: natürlich und erzwungen.
Bei freier oder natürlicher Konvektion werden Ströme nur durch temperaturbedingte Dichteunterschiede im Fluid erzeugt. Während bei erzwungener Konvektion Ströme auf einen externen Faktor wie einen Lüfter oder eine Pumpe zurückzuführen sind. Je schneller sich die Flüssigkeit bewegt, desto schneller ist die Konvektionsrate.,
Nachdem Sie nun eine allgemeine Vorstellung davon haben, was Konvektion tatsächlich ist, gehen wir zu den verschiedenen Beispielen und Anwendungen über. Im Folgenden haben wir viele Beispiele für konvektive Wärmeübertragung aufgeführt, die Sie in Ihrem Alltag sehen.
Kochendes Wasser
Typ: Erzwungene Konvektion
Wenn Sie den Wasserkocher auf den Herd stellen, erwärmt er das Wasser von unten. Die Moleküle in der Nähe des Bodens gewinnen kinetische Energie und werden weniger dicht., Da das heiße Wasser am Boden weniger dicht ist als das kalte Wasser darüber, steigt das heiße Wasser an die Oberfläche, während das kalte Wasser sinkt.
Das kalte Wasser am Boden wird dann heiß und weniger dicht als das Wasser darüber, so dass es an die Oberfläche steigt. Der Vorgang wiederholt sich immer wieder und alles geschieht aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen Boden und Oberseite des Kessels. Die Bewegungen von Wassermolekülen sind Konvektionsströme.,
Kühlkörper
Typ: Erzwungene Konvektion
Der Kühlkörper ist ein passiver Wärmetauscher, der die Rate der konvektiven Wärmeübertragung verbessert. Es ist weit verbreitet in elektronischen Geräten verwendet. Beispielsweise verwendet eine herkömmliche CPU/GPU einen Kühlkörper in Verbindung mit einem Lüfter, um die Betriebstemperatur in tolerierbaren Grenzen zu halten.
Im Allgemeinen besteht ein Kühlkörper aus einer Basis und Flossen, die sich nach außen erstrecken. Seine Leistung wird durch verschiedene Faktoren wie Luftgeschwindigkeit, Flossendesign und Material beeinflusst, das zum Bau des Kühlkörpers verwendet wird.,
Land-und Meeresbrise
Bildnachweis: Freepik
Typ: Natürliche Konvektion
Die Bildung von Land-und Meeresbrise ist eines der klassischen Beispiele für Konvektion. Die Sonne erwärmt sich tagsüber sowohl an Land als auch an der Meeresoberfläche. Da das Land jedoch weniger Wärmeabsorptionskapazität hat als das Meer, steigt seine Oberflächentemperatur und erwärmt die Luft um ihn herum. Die warme (weniger dichte) Luft beginnt zu steigen und es entsteht ein niedriger Druck.
Gleichzeitig entwickelt sich über dem Meer ein Hochdruckbereich (mit kalter, dichter Luft)., Aufgrund des Druckunterschieds strömt Luft vom Meer zum Land, und die kalte Luft, die kommt, wird Meeresbrise genannt.
Der Vorgang wird in der Nacht umgekehrt. Das Land kühlt schneller ab als das Meer, senkt die Lufttemperatur um es herum und schafft eine Hochdrucksituation. Jetzt strömt die kalte Luft vom Land zum Meer, und das nennen wir die Landbrise.
In beiden Fällen überträgt sich die Wärme durch Luftmoleküle.,
Kamineffekt
Typ: Erzwungene Konvektion
Wenn Luft in und aus den Gebäuden, Rauchgasstapeln oder ähnlichen Strukturen strömt, wird sie aufgrund des Auftriebs als Kamineffekt bezeichnet. Dies geschieht aufgrund von Temperatur – /Feuchtigkeitsunterschieden im Innen-und Außenbereich. Die kalte Luft mit hoher Dichte drückt immer die heißen Gase mit niedriger Dichte nach oben.
Je größer die Struktur und höher die thermische Differenz, desto mehr Auftriebskraft und damit der Kamineffekt., Viele Wolkenkratzer und Kühltürme verwenden das gleiche Prinzip, um eine natürliche Belüftung und Infiltration zu erreichen.
Konvektionsofen
Ein industrieller Konvektionsofen, der in der Flugzeugindustrie verwendet wird
Typ: Erzwungene Konvektion
Konvektionsofen verwenden Konvektionsmechanismus, um Lebensmittel schneller als herkömmliche Öfen zu kochen. Sie haben Ventilatoren, um heiße Luft um das Essen herum zu zirkulieren, wodurch Lebensmittel bei niedrigeren Temperaturen und in kürzerer Zeit gleichmäßiger kochen können., Industrielle Konvektionsöfen werden für die Herstellung vieler Produkte verwendet, einschließlich Non-Food-Artikel.
Schmelzen von Eis
Typ: Natürliche Konvektion
Konvektion spielt eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Eisdicke. Wenn warme Luft über die Oberfläche des Eises weht, erhöht sie die Temperatur der äußeren Eisschicht. Je heißer die Luft und je schneller sie bläst, desto weniger Zeit benötigt das Eis zum Schmelzen.,
Heizkörper
Typ: Erzwungene Konvektion
Ein Heizkörper überträgt Wärmeenergie von einem Medium auf ein anderes. Trotz des Namens verwenden die meisten Heizkörper Konvektion (anstelle von Wärmestrahlung), um den Großteil ihrer Wärme zu übertragen. Sie werden hauptsächlich in Gebäuden, Automobilen und Elektronik verwendet.
In einem Raumheizsystem wird beispielsweise heißes Wasser oder manchmal Dampf in den internen Spulen erzeugt. Wenn das Wasser die Spule erwärmt, erwärmt sich die Luft neben dem Kühler und hebt sich an., Sobald die erwärmte Luft aufsteigt, kann kühle Luft von unten in den und durch den Kühler gezogen werden. Dieser Luftstrom erzeugt vertikale Ströme, die warme Luft im Raum verteilen.
Kühlschrank
Typ: Erzwungene Konvektion
Ein Kühlschrank enthält ein wärmeisoliertes Fach und eine Wärmepumpe, die Wärme von der Innenseite des Kühlschranks in seine äußere Umgebung transportiert. Es verwendet Konvektion, um kalte Luft um das Essen zu zirkulieren.
Das Gefrierfach kühlt die Luft oben ab. Wenn die Luft sinkt, wird sie durch wärmere Luft ersetzt, die von unten aufsteigt., Diese zirkulierende Luft transportiert Wärme von allen Gegenständen im Kühlschrank.
Cumulus-und Cumulonimbuswolken
Cumuluswolken
Typ: Natürliche Konvektion
Cumulus und Cumulonimbus sind zwei verschiedene Arten von Wolken, die sich durch Konvektion bilden und wachsen. Sie werden aus Wasserdampf gebildet, der von starken Luftströmungen nach oben getragen wird.
Da sich Konvektionswolken in den aufsteigenden Luftsäulen tendenziell schnell bilden, sind sie optisch dicht., Die Oberflächen winziger Tröpfchen in diesen Wolken streuen das Sonnenlicht mehr als die Wolken, die weniger oder größere Tröpfchen enthalten. Aus diesem Grund sehen diese Wolken oft dunkelgrau an den Seiten von der Sonne und hellweiß an den Seiten, die ihr zugewandt sind.
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Blut Zirkulation
Typ: Gezwungen Konvektion
Menschen und andere säugetiere verwenden konvektion zu regulieren körper temperatur., Das Herz pumpt Blut mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 5 Litern pro Minute durch den Körper und die von den Körperzellen erzeugte Wärme wird auf Luft (oder Wasser) übertragen, die über die Haut fließt.
Wenn die Hauttemperatur niedriger ist als die der umgebenden Lufttemperatur, gewinnt der Körper durch Konvektion und Leitung Wärme. Aber wenn die Hauttemperatur höher ist, verliert der Körper Wärme durch Konvektion und Leitung. In Oberflächengeweben, in denen die Durchblutungsrate höher ist, ist die Wärmeübertragung hauptsächlich konvektiv.,
Marangoni-Effekt
Experimentelle Demonstration des Marangoni-Effekts | Wikimedia
Typ: Natürliche Konvektion
Der Marangoni-Effekt ist die Konvektion von Flüssigkeiten aufgrund eines Gradienten der Oberflächenspannung. Die Oberflächenspannung hängt von der Temperatur oder Zusammensetzung der Verbindungen ab. Im ersteren Fall wird der Effekt als Thermokapillarkonvektion bezeichnet.
Das Vorhandensein eines Gradienten in der Oberflächenspannung bewirkt natürlich, dass die Flüssigkeit von Regionen mit geringer Oberflächenspannung abfließt., Dies geschieht, weil die Flüssigkeit mit einer hohen Oberflächenspannung stärker an der Flüssigkeit zieht als eine mit einer niedrigen Oberflächenspannung.
Die Bewegung des Erdmantels
Ganzmantel-Konvektion | Wikimedia
Typ: Natürliche Konvektion
Die Bewegung des festen Silikatmantels der Erde resultierte aus Konvektionsströmen, die Wärme vom Inneren zur Oberfläche des Planeten tragen.,
Genauer gesagt wird die Mantelkonvektion durch drei grundlegende Prozesse angetrieben:
- Wärmeverlust aus dem Kern (20%)
- Interne Erwärmung durch radioaktiven Zerfall (80%)
- Kühlung von oben (Sinken lithosphärischer Platten)
Es verursacht die Bewegungen lithosphärischer Platten, vulkanische Oberflächenaktivität, Magmatismus, Erdbeben sowie die meisten tektonischen und geologischen Prozesse, die sich in der Kruste manifestieren. Wenn sich die Wärmeproduktionsrate verringert, kühlt der Planet ab und letztendlich verlangsamt oder stoppt die Konvektion ganz.,
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Sterne haben Konvektionszone
Typ: Natürliche Konvektion
Verschiedene turbulente Aktivitäten, die innerhalb des Sterns auftreten, bewirken, dass sich Energie nach außen bewegt. Wenn sich Gase (aufgrund des Energieflusses von tiefer innerhalb des Sterns) auf Temperaturen erwärmen, die höher sind als das umgebende Gas, steigen sie an, dehnen sich aus und kühlen ab. Sobald sie sich erwärmt haben, hören sie auf zu steigen.
Im Allgemeinen haben Sterne mit niedriger Masse Strahlungskerne und konvektive Hüllen, während Sterne mit hoher Masse konvektive Kerne und Strahlungshüllen haben., Die Konvektionszone der Sonne ist beispielsweise die äußerste Schicht des Innenraums, die sich von einer Tiefe von 200.000 Kilometern bis zur sichtbaren Oberfläche erstreckt. Dies bedeutet, dass die Energie in diesem Bereich durch Konvektion übertragen wird.
Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern
Typ: Natürliche Konvektion
Dies ist ein ziemlich ungewöhnliches Beispiel, aber Untersuchungen und Simulationen zeigen, dass die Konvektion von Staub und Gas in den Akkretionsscheiben der Schwarzen Löcher mit einer Geschwindigkeit auftritt, die der von Licht nahe kommt., Die Bindegewebsbewegungen entstehen durch die Ableitung intensiver Gravitations – und Rotationsenergien in den Akkretionsströmen.