Konvektion

 

 

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Konvektion

Konvektion (von lat. convehere = mittragen, mitnehmen) ist, neben den anderen Vorgängen der Wärmeleitung und Wärmestrahlung, ein weiterer Prozeß der Übertragung von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen. Die Wärmeübertragung erfolgt durch die Strömung von Materie (Gasen oder Flüssigkeiten), welche thermische Energie mitführt.

Konvektion ist deshalb stets mit dem Transport von Teilchen verknüpft. In Festkörpern oder im Vakuum kann es folglich keine Konvektion geben, man kann allenfalls die heißen oder kalten Festkörper selbst transportieren. Konvektion beschreibt also den Transport von Wärmeenergie durch die Strömung eines - flüssigen oder gasförmigen - Mediums (Fluid).

In der Meteorologie und Ozeanographie wird der vertikale Wärmetransport als Konvektion, ein großräumiger horizontaler Transport als Advektion bezeichnet.

  • Konvektion oder Wärmeströmung ist der Transport von innerer Energie durch Flüssigkeiten oder Gase. Konvektion ist also stets mit der körperlichen Bewegung eines Transportmittels verbunden. In Festkörpern kann deshalb keine Konvektion stattfinden. Konvektion ist die Mitführung von thermischer Energie in strömenden Flüssigkeiten oder Gasen. Der Strömungsprozeß kommt entweder wegen der örtlichen, temperaturbedingten Dichteunterschiede von allein in Gang (natürliche Konvektion; erwärmte Luft steigt auf) oder wird technisch z.B. durch Pumpen erzwungen. Bei der Konvektion können wesentlich größere Wärmeströme auftreten als bei der Wärmeleitung. Im Ergebnis wird Wärme von einem festen System auf ein strömendes Fluid übertragen und als innere Energie oder Enthalpie mitgeführt oder es wird umgekehrt ein fester Körper von einem wärmeren Fluid angeströmt und „aufgeheizt“.
    Konvektion ist daher die Strömung von Materie (Gasen oder Flüssigkeiten), welche Wärmeenergie mitführt.
    Beispiel
    : Warme Luft steigt auf.

Wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas, kurz ein Fluid, von unten erwärmt wird, bewegen sich die Moleküle am Boden stärker. Sie nehmen dadurch mehr Raum ein, weshalb die Dichte des Fluids an dieser Stelle abnimmt. Durch die geringere Dichte wird das Fluid leichter und steigt auf. An der Oberfläche gibt es seine Energie ab und wird kühler. Die Bewegung der Moleküle wird dadurch geringer und die Dichte des Fluids nimmt wieder zu. Das dichtere Fluid sinkt deshalb zum Boden zurück.

Ein Konvektionsströmung ist entstanden.

 

Aus der Wohnungsheizung ist uns dieser Vorgang bekannt. Die Luft wird am Heizkörper erwärmt, dehnt sich dabei aus und steigt nach oben und kühlt dabei ab. Auf der kühleren Raumseite kühlt sich die Luft ab, zieht sich dabei wieder zusammen, sinkt ab und strömt zurück zum Heizkörper, wo der Vorgang erneut beginnt.

In der Atmosphäre geschieht derselbe Vorgang. Die Luft wird von der von der Sonne aufgeheizten Erdoberfläche erwärmt und strömt nach oben - ein entscheidender Faktor für die Entstehung von Wind, Wolken und Gewittern. Durch die Erwärmung dehnt sich die Luft aus. Unter Einwirkung der Schwerkraft steigt das erwärmte Luftpaket als Bereich mit geringerer Dichte auf (Auftrieb), während Bereiche mit höherer Dichte, also z.B. kühlere Luft, absinken.

Konvektion

Konvektion durch Hebung vergrößern

Atmosphärische Konvektion

Die Erdatmosphäre und die Ozeane bilden ein gigantisches 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 -senken (der Sonne abgewandte Seite der Erde oder polnahe Regionen), Zirkulation (Golfstrom) usw. Großräumiger horizontaler Wärmetransport wird auch als Advektion bezeichnet.

Unter dem Begriff der atmosphärischen Konvektion versteht man das Aufsteigen erwärmter Luftmassen bei gleichzeitigem Absinken kälterer Luft in der Umgebung. Konvektion ist insoweit also der vertikale Transport von Masse aufgrund einer instabilen Schichtung. Die Schichtung der Atmosphäre ist durch ihre vertikale Struktur gekennzeichnet, wozu Temperatur, Druck und Wasserdampfgehalt (im Ozean der Salzgehalt) beitragen. Grund für die Konvektion ist die Sonneneinstrahlung, die bodennahe Luftschichten erwärmt, welche dann aufgrund ihrer geringeren Dichte aufsteigen können. Sobald ein Luftpaket leichter ist als seine Umgebung, beginnt es aufzusteigen. In größeren Höhen sinkt der Druck, die Luft dehnt sich aus und wird dadurch kälter. Somit verändert sich die Dichte des Luftpakets durch interne Prozesse. Die Dichte der Umgebungsluft ändert sich jedoch ebenfalls entsprechend den atmosphärischen Bedingungen. Sobald die aufgestiegene Luft wieder dieselbe Dichte hat wie die Umgebung, verschwindet der Antrieb der Konvektion, auch wenn es aufgrund der Trägheit noch ein Überschießen über diesen Punkt hinaus geben kann. Dies ist spätestens an der Tropopause der Fall, weil dort die Umgebungsluft mit der Höhe sogar wieder wärmer wird.
Für die absinkenden Prozesse gilt dies entsprechend.

Überströmt die Luft eine Wasseroberfläche, kommt es, solange der Dampfdruck der Luft unter seinem Sättigungsdampfdruck liegt, also noch nicht gesättigt ist, zu einer Diffusion des Wassers in die Gasphase. Auch wenn die Luft wärmer ist als das Wasser, kühlt sich die Flüssigkeit dabei ab, da ihr die Verdunstungswärme entzogen wird. In diesem Fall spricht man von Verdunstung, weil die Gasphase nicht aus reinem Dampf der Flüssigkeit besteht. Da Wasserdampf eine geringere Dichte hat als trockene Luft, ist die feuchte Luft ebenfalls leichter. Ohne daß ein Temperaturunterschied zur umgebenden trockenen Luft erforderlich wäre, ist nun das feuchte Luftpaket gegenüber der trockenen Luft leichter und steigt folglich auf. Ist die feuchte Luft zudem wärmer, wird das den Vorgang zusätzlich verstärken. Beim Aufstieg kühlt die feuchte Luft ab. Erreicht sie dabei das Kondensationsniveau, bilden sich Konvektionswolken aus, wobei latente Wärme freigesetzt wird, welche die Abkühlung vermindert. Das sorgt in Mitteleuropa vor allem in den Sommermonaten für teils heftige Gewitter mit Schauern und starken Windböen.

Durch das Zusammenwirken dieser Faktoren entsteht letztlich unser Wetter.

Aber nicht zuletzt sind es die so enstehenden Aufwinde, die uns den Segelflug erlauben.

Zirkulation

atmosphärische Konvektion vergrößern

 

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