Wissenschaft

Konvektionsströme und wie sie funktionieren

Konvektionsströme sind fließende Flüssigkeiten, die sich bewegen, weil innerhalb des Materials ein Temperatur- oder Dichteunterschied besteht.

Da Partikel in einem Feststoff an Ort und Stelle fixiert sind, werden Konvektionsströme nur in Gasen und Flüssigkeiten beobachtet. Eine Temperaturdifferenz führt zu einer Energieübertragung 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 Stoffaustauschprozess.

Konvektion, die natürlich auftritt, wird natürliche Konvektion oder freie Konvektion genannt . Wenn eine Flüssigkeit mit einem Ventilator oder einer Pumpe umgewälzt wird, spricht man von erzwungener Konvektion . Die durch Konvektionsströme gebildete Zelle wird als Konvektionszelle oder  Bénard-Zelle bezeichnet .

 

Warum sie sich bilden

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

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

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

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

Konvektionsströme können modelliert werden und beschriebenen Konvektions- Verwendung Diffusionsgleichungen, die Skalar – Transportgleichungen sind.

 

Beispiele für Konvektionsströme und Energieskala

    • Sie können Konvektionsströme in Wasser beobachten, das  in einem Topf kocht. Fügen Sie einfach ein paar Erbsen oder Papierstücke 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 zu entweichen. Durch Verdunstung wird die Oberfläche so weit abgekühlt, dass einige Moleküle wieder zum Boden der Pfanne zurücksinken.
    • 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 und steigt daher auf.
    • Wind ist ein Beispiel für einen Konvektionsstrom. Sonnenlicht oder reflektiertes Licht strahlt Wärme ab und erzeugt einen Temperaturunterschied, durch den sich die Luft bewegt. Schattige oder feuchte Bereiche sind kühler oder können Wärme aufnehmen, was den Effekt verstärkt. Konvektionsströme sind Teil dessen, was die globale Zirkulation der Erdatmosphäre antreibt.
    • Die Verbrennung erzeugt Konvektionsströme. Die Ausnahme ist, dass die Verbrennung in einer Umgebung ohne Schwerkraft keinen Auftrieb hat, sodass heiße Gase nicht auf natürliche Weise aufsteigen und frischer Sauerstoff die Flamme speisen kann. Die minimale Konvektion in Null-g führt dazu, dass sich viele Flammen in ihren eigenen Verbrennungsprodukten ersticken.

 

    • Atmosphärische und ozeanische Zirkulation sind die großräumige Bewegung von Luft und Wasser (der Hydrosphäre). Die beiden Prozesse arbeiten zusammen. Konvektionsströme in Luft und Meer führen zu Wetter .
    • Magma im Erdmantel bewegt sich in Konvektionsströmen. Der heiße Kern erwärmt das darüber liegende Material und lässt es zur Kruste aufsteigen, wo es abkühlt. Die Wärme kommt vom starken Druck auf das Gestein, kombiniert mit der Energie, die durch den natürlichen radioaktiven Zerfall von Elementen freigesetzt wird . Das Magma kann nicht weiter ansteigen, bewegt sich also horizontal und sinkt wieder ab.
    • Der Stapeleffekt oder Kamineffekt beschreibt Konvektionsströme, die Gase durch Schornsteine ​​oder Abzüge bewegen. Der Auftrieb von Luft innerhalb und außerhalb eines Gebäudes ist aufgrund von Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschieden immer unterschiedlich. Durch Erhöhen der Höhe eines Gebäudes oder Stapels wird die Stärke des Effekts erhöht. Dies ist das Prinzip, auf dem Kühltürme basieren.
    • Konvektionsströme sind in der Sonne erkennbar. Das Granulat in der Photosphäre der Sonne ist die Spitze der Konvektionszellen. Im Fall der Sonne und anderer Sterne ist die Flüssigkeit eher Plasma als eine Flüssigkeit oder ein Gas.

 

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