Konvektionsströme in der Wissenschaft, was sie sind und wie sie funktionieren

Konvektionsströme sind fließende Flüssigkeiten, die sich bewegen, weil es im Material einen Temperatur- oder Dichteunterschied gibt.

Da Partikel in einem Festkörper an Ort und Stelle fixiert sind, treten Konvektionsströme nur in Gasen und Flüssigkeiten auf. Ein Temperaturunterschied führt zu einem Energietransfer von einem Bereich höherer Energie zu einem Bereich niedrigerer Energie.

Konvektion ist ein Wärmeübertragungsprozess. Wenn Ströme erzeugt werden, wird Materie von einem Ort zum anderen bewegt. Dies ist also auch ein Massenübertragungsprozess.

Natürlich auftretende Konvektion wird genannt natürliche Konvektion oder freie Konvektion. Wenn eine Flüssigkeit mit einem Gebläse oder einer Pumpe umgewälzt wird, heißt das erzwungene Konvektion. Die durch Konvektionsströme gebildete Zelle heißt a Konvektionszelle oder Bénard Zelle.

Warum sie sich bilden

Ein Temperaturunterschied bewirkt, dass sich Partikel bewegen und einen Strom erzeugen. In Gasen und Plasma führt ein Temperaturunterschied auch zu Regionen mit höherer und niedrigerer Dichte, in denen sich Atome und Moleküle bewegen, um Bereiche mit niedrigem Druck auszufüllen.

Kurz gesagt steigen heiße Flüssigkeiten auf, während kalte Flüssigkeiten sinken. Sofern keine Energiequelle vorhanden ist (z. B. Sonnenlicht, Wärme), setzen sich die Konvektionsströme nur fort, bis eine einheitliche Temperatur erreicht ist.

Wissenschaftler analysieren die Kräfte, die auf eine Flüssigkeit einwirken, um die Konvektion zu kategorisieren und zu verstehen. Diese Kräfte können umfassen:

• Schwere
• Oberflächenspannung
• Konzentrationsunterschiede
• Elektromagnetische Felder
• Vibrationen
• Bindungsbildung zwischen Molekülen

Konvektionsströme können unter Verwendung von Konvektionsdiffusionsgleichungen modelliert und beschrieben werden, die skalare Transportgleichungen sind.

Beispiele für Konvektionsströme und Energieskalen

• Sie können Konvektionsströme in Wasser beobachten, das in einem Topf kocht. Fügen Sie einfach ein paar Erbsen oder Papierschnipsel hinzu, um den aktuellen Fluss zu verfolgen. Die Wärmequelle am Boden der Pfanne erwärmt das Wasser, gibt ihm mehr Energie und bewirkt, dass sich die Moleküle schneller bewegen. Die Temperaturänderung beeinflusst auch die Dichte des Wassers. Wenn Wasser an die Oberfläche steigt, hat ein Teil davon genug Energie, um als Dampf auszutreten. Die Verdunstung kühlt die Oberfläche so weit ab, dass einige Moleküle wieder zum Boden der Pfanne sinken.
• Ein einfaches Beispiel für Konvektionsströme ist warme Luft, die zur Decke oder zum Dachboden eines Hauses aufsteigt. Warme Luft ist weniger dicht als kühle Luft, daher steigt sie auf.
• Wind ist ein Beispiel für eine Konvektionsströmung. Sonnenlicht oder reflektiertes Licht strahlt Wärme aus und erzeugt einen Temperaturunterschied, der die Luft in Bewegung versetzt. Schattige oder feuchte Bereiche sind kühler oder können Wärme absorbieren, was den Effekt verstärkt. Konvektionsströme sind Teil dessen, was die globale Zirkulation der Erdatmosphäre antreibt.
• Die Verbrennung erzeugt Konvektionsströme. Die Ausnahme besteht darin, dass der Verbrennung in einer Umgebung ohne Schwerkraft der Auftrieb fehlt, sodass heiße Gase nicht auf natürliche Weise aufsteigen und frischer Sauerstoff die Flamme speisen kann. Die minimale Konvektion in Null-g bewirkt, dass sich viele Flammen in ihren eigenen Verbrennungsprodukten ersticken.
• Atmosphärische und ozeanische Zirkulation sind die großräumigen Bewegungen von Luft und Wasser (der Hydrosphäre). Die beiden Prozesse arbeiten zusammen. Konvektionsströmungen in Luft und Meer führen zu Witterungseinflüssen.
• Magma im Erdmantel bewegt sich in Konvektionsströmen. Der heiße Kern erwärmt das darüber liegende Material und bewirkt, dass es sich zur Kruste erhebt und dort abkühlt. Die Wärme entsteht durch den starken Druck auf das Gestein in Verbindung mit der Energie, die durch den natürlichen radioaktiven Zerfall von Elementen freigesetzt wird. Das Magma kann nicht weiter aufsteigen, bewegt sich also horizontal und sinkt wieder ab.
• Der Stapeleffekt oder der Kamineffekt beschreibt Konvektionsströme, die Gase durch Kamine oder Abzüge bewegen. Die Luftströmung innerhalb und außerhalb eines Gebäudes ist aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschieden immer unterschiedlich. Durch Erhöhen eines Gebäudes oder Stapels wird die Stärke des Effekts erhöht. Dies ist das Prinzip, auf dem Kühltürme basieren.
• In der Sonne sind Konvektionsströme zu erkennen. Das in der Photosphäre der Sonne sichtbare Granulat ist die Spitze der Konvektionszellen. Im Falle der Sonne und anderer Sterne ist die Flüssigkeit eher Plasma als Flüssigkeit oder Gas.