experiment konvektion

Wärmetransport

Wärmekonvektion, wärmekonvektion im modell einer warmwasserheizung.

Den folgende Versuch und den dabei stattfindenden Wärmetransport kannst du analog als Modell für eine Warmwasserheizung (ohne Pumpe) verstehen.

Beschreibe mithilfe des Videos, welche Gegenstände im Versuchsaufbau Bestandteilen einer Warmwasserheizung entsprechen.

Der Bunsenbrenner stellt den Heizkessel im Keller dar, da er für das Erhitzen des Wassers zuständig ist und die Glasrohre stehen für die Rohre, die vom Keller in die Wohnung bzw. von der Wohnung in den Keller führen.

Erkläre das Zustandekommen des Wärmetransportes mit deinen eigenen Worten.

Das durch den Bunsenbrenner links unten erwärmte Wasser hat eine etwas kleinere Dichte als das umgebende Wasser. Aufgrund der Auftriebskraft steigt das Wasser nach oben. Es stellt sich ein Kreislauf ein, mit dessen Hilfe das warme Wasser im Uhrzeigersinn durch die Anlage getrieben wird. Es findet eine Wärmetransport durch den Transport der Wasserteilchen, also Konvektion, statt.

Hinweis: Bei modernen Warmwasserheizungen verwendet man eine Umlaufpumpe, damit der Wasserkreislauf schneller in Gang kommt.

Positionierung eines Heizkörpers

In manchen Altbauwohnungen befinden sich die Heizkörper für die Zimmer nicht unter dem Fenster, sondern auf der dem Fenster gegenüberliegenden Zimmerseite. Diese Anordnung des Heizkörpers ist sehr ungünstig, da die kalte Luft die von außen durch das Fenster in das Zimmer dringt, zum Boden abfällt und die warme Luft über dem Heizkörper aufsteigt. Eine Person bekommt in diesem Zimmer leicht kalte Füße, während die warme Luft in der Nähe der Zimmerdecke ist.

Ist der Heizkörper direkt unter dem Fenster angebracht, so durchmischen sich die warme Luft, die über dem Heizkörper aufsteigt und die kalte Luft, die vom Fenster auf den Boden sinkt. Somit kommt es nicht zu der kalten Luftschicht am Boden (vgl. Abb. 2 ).

Strömungsverhältnisse im Modellversuch zeigen

Man kann die Strömungsverhältnisse in einem Modellzimmer nachbilden: Als Modellzimmer dient ein wassergefülltes Aquarium, als Modellofen ein 2kg-Massenstück, das zuvor in kochendem Wasser erwärmt wurde. Als Modellfenster wählen wir eine Plastikbox mit Löchern, in die Eiswürfel gefüllt wurden. Die im Wasser auftretenden Strömungen können im Schattenwurf wie in Abb. 3 gut beobachtet werden (Schlierenbildung).

Die Uni Würzburg bietet hier einen kleinen Film zur Konvektion

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Introduction to Heat Transfer: Simple Experiments In Convection and Radiation

Introduction

In a previous article , we discussed some simple experiments that can be done to demonstrate heat conduction. Here, we continue our investigation into heat transfer experiments, but with a focus on convection and radiation.

The experiment can also be done using one bowl at a time and with one thermometer. Switch the bowl covering and change the water to compare how the water heats under different materials. You may substitute containers that are black, white, and shiny, instead of using covers. The containers should be as uniform as possible, and should be of the same material such as metal or plastic.

Conceptual Physics by Paul Hewitt

Mars Thermal Emission NASA Jet Propulsion Lab

Wenn du dir morgens nach dem Duschen deine Haare föhnst, dann machst du dir die Konvektion zu Nutze. Wie genau du das machst, lernst du in diesem Beitrag .

Konvektion einfach erklärt

Allgemeines zum wärmeübergang und konvektionsstrom, konvektion ohne stoffaustausch, konvektion mit stoffaustausch, freie konvektion, erzwungene konvektion.

Anders als bei der Wärmeleitung , muss beim konvektiven Wärmeübergang nicht nur ein stofflicher Träger vorhanden sein, welcher die Energie transportiert. Er muss zusätzlich auch strömungsfähig sein. Die Wärmeenergie wird dann zusammen mit dem Stoff transportiert. Deshalb wird die Konvektion auch als Wärmeströmung bezeichnet. Typische strömungsfähige Fluide sind Luft oder Wasser .

Das Wort Konvektion leitet sich vom lateinischen Wort „convehere“ ab , was soviel bedeutet wie „zusammentragen“ bzw. „zusammenmischen“.

Bei der Konvektion nimmt ein strömendes Fluid Wärme entweder auf oder gibt sie ab . Dazu überströmt es die Oberfläche eines anderen Mediums wodurch es zu einer Angleichung der Temperaturen kommt. Das andere Medium kann dabei entweder ein Festkörper sein oder ebenfalls ein Fluid. Sind beide Medien Fluide, erfolgt zusätzlich ein Stoffaustausch . Dies ergibt sich durch eine einfache Vermischung der beiden Fluide . Noch wichtiger ist die Frage, welche Kraft für die Konvektion verantwortlich ist. Hier spricht man dann entweder von freier oder gezwungener Konvektion .

Und genau diese Unterscheidungen schauen wir uns jetzt genauer an!

Eine Konvektion ohne Stoffaustausch tritt dann auf, wenn ein Fluid beim Überströmen der Oberfläche eines Festkörpers entweder Wärme abgibt oder aufnimmt . Dies bildet auch den einfachsten Fall der Konvektion ab, da die Grenzfläche des Festkörpers statisch ist und die Konvektion deshalb einen reinen Wärmeaustausch darstellt. Bei der Überströmung der Oberfläche stellt sich eine Grenzschicht ein, welche von der Zusammensetzung der beiden Stoffe, also beispielsweise der Konzentration, der Temperatur oder der Strömungsgeschwindigkeit, abhängig ist. In dieser thermischen Grenzschicht erfolgt der nichtlineare Wärmetransport im Fluid zum oder vom Festkörper. Im Falle einer Konvektion zwischen einem Festkörper und einem Fluid ist darüber hinaus die Identifizierung der Grenzschichten leichter als bei der Konvektion zwischen zwei Fluiden.

Überströmt ein Fluid nun ein anderes Fluid mit unterschiedlicher Temperatur, dann treten sowohl ein Wärme- als auch ein Stoffaustausch auf. In diesem Fall erfolgt zum einen eine Angleichung der Stoffzusammensetzung und zum anderen gehen die Grenzschichten fließend ineinander über. Überströmt das Fluid ein Stoffgemisch oder Feststoff mit einem geringeren Sättigungsdampf- oder Sublimationsdruck , kommt es auch zu einem Stoffaustausch , da der Dampf- oder Sublimationsdruck der Feststoffs überschritten wird. Der Stoff diffundiert in das Fluid . Ein Beispiel hierfür wäre die Trocknung .

Als nächstes untersuchen wir, welche Kräfte für die Entstehung der Strömung verantwortlich sind. Sind dies keine äußeren Einflüsse, sondern beispielsweise die Schwerkraft , Temperatur- oder Dichteunterschiede , dann sprechen wir von der freien oder natürlichen Konvektion .

Sonderfall: Die Rayleigh-Bénard-Konvektion

Ein Sonderfall der freien Konvektion ist die Rayleigh-Bénard-Konvektion . Sie ist ein natürliches Phänomen , das im Zentrum flacher, horizontaler Fluide auftritt, sobald eine kritische Temperatur erreicht wird.

Stelle dir zum Beispiel einen Kochtopf mit Wasser vor, der auf dem Herd erwärmt wird. Die kritische Temperatur beschreibt dann diejenige Temperatur, bei welcher das Wasser im Kochtopf durch den Temperaturunterschied zwischen Topfboden und Oberfläche zu strömen anfängt . Bei dem Prozess dehnt sich die Flüssigkeit an der warmen Unterseite aus und steigt aufgrund der geringeren Dichte in der Mitte auf . Anschließend kühlt sie sich an der Oberfläche wieder ab und sinkt mit erhöhter Dichte am Rand des Topfes hinab. Für diese Art der Konvektion sind also Dichteunterschiede des Wassers verantwortlich.

Die Marangoni-Konvektion

Ein weiterer Sonderfall der freien Konvektion ist die Marangoni Konvektion . Bei ihr entsteht die Strömung nicht durch Dichteunterschiede, sondern durch Unterschiede in der Oberflächenspannung .  Ein einfaches Beispiel hierfür ist eine angezündete Kerze :

Das Wachs , welches sich näher an der Flamme befindet, ist wärmer als das Wachs am Rand der Kerze. Die Oberflächenspannung nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab , sodass die Oberflächenspannung des Wachses am Rand höher ist, als in der Mitte. Einfach gesagt wird dann die Oberfläche aus der Mitte der Kerze zum Rand gezogen, und nimmt oberflächennahes Wachs mit. Dadurch entsteht eine Kreisbewegung , also eine Strömung .

Weitere Beispiele zur freien Konvektion

Das Potential der freien Konvektion lässt sich sehr gut an einem Aufwindkraftwerk erkennen.

Hierbei wird über einen durchsichtigen Sonnenkollektor die Luft tagsüber am Boden erwärmt und die Druckdifferenz gegenüber der Außenluft  genutzt. Es entsteht thermischer Auftrieb , der die warme Luft vom Boden nach sich zieht und zum Antrieb von Turbinen genutzt werden kann. Dabei wird die mechanische Energie in elektrische umgewandelt. Je größer die Temperaturunterschiede und je höher der Turm und die damit verbundenen Druckunterschiede, desto besser ist die Leistung des Aufwindkraftwerks.

Sind äußere Kräfte für die Strömung des Fluids verantwortlich, dann spricht man von der gezwungenen Konvektion . Und genau diese schauen wir uns jetzt zum Schluss noch an. Äußere Kräfte können etwa Pumpen oder Gebläse sein. Sie sorgen für Druckunterschiede und damit für konvektive Ströme in einem Fluid.

Parallel zur erzwungenen Konvektion tritt fast immer auch die natürliche Konvektion auf, welche aber im Angesicht der erzwungenen in den meisten Fällen vernachlässigt werden kann.

Beispiel zur erzwungenen Konvektion

Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Kühlung deines Computers . Während du diesen Beitrag liest, bläst ein Lüfter die Luft durch deinen Computer, um unter anderem deinen Prozessor zu kühlen. Dieser Lüfter erzeugt einen Luftstrom und ruft somit Konvektion hervor.

Auch morgens nach dem Duschen machst du dir erzwungene Konvektion zu Nutze. Trocknest du dir mit einem Fön deine Haare, dann wird durch das Gebläse im Fön ein Luftstrom erzeugt, der wiederum Konvektion hervorruft.

Sehr gut! Nun kennst du die Konvektion und ihre Unterscheidungsmöglichkeiten als eine Form des Wärmetransports . Viel Spaß beim Lernen.

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Convection Currents Made Easy

June 13, 2022 By Emma Vanstone Leave a Comment

When part of a liquid or gas is heated, it expands and becomes less dense. The warmer, less dense liquid rises upwards, and the cooler liquid falls to take its place. This cycle of a liquid or gas rising and falling is called a convection current .

We set up a very simple convection current demonstration using hot and cold water with food colouring to show the movement of warm water through cold water.

Convection Current Demonstration

You’ll need.

Tall glass or vase

A smaller glass or cup

Food colouring

Instructions

Fill the tall glass or jar with cold water.

Fill the smaller container with hot ( but not boiling water ) and add a few drops of food colouring.

Carefully place the small container into the container with the cold water.

Watch what happens to the warmer, coloured water.

The hot, coloured water rises upwards and collects at the top of the cold water. It then cools and sinks downwards. Eventually, all the water will be at the same temperature.

How does convection work?

Particles of warm water move more quickly and spread out. They rise upwards through denser, cooler water, which sinks to the bottom, where it warms up. Eventually, all the liquid is at the same temperature.

Warm water rises because when liquids and gases are heated, they expand. This means they take up more room but have the same mass, so their density is less than when they are cool. Substances with lower densities float on substances with higher densities.

A hot air balloon is another example of convection currents in action.

Ask an adult to help with this activity

Extra Challenge

Repeat the activity with cold water instead of hot and watch what happens to the coloured water.

You can see that the cold water isn’t moving upwards like the warm water.

How is heat transferred?

Heat can be transferred in three different ways.

• Conduction.
• Radiation .

Heat convection occurs when warmer molecules of a liquid or gas move from a warmer to a cooler area, taking the heat with them.

Water being heated in a pan is an example of convection. This is the type of heat transfer we demonstrated above.

Another way to demonstrate convection is with a spinning convection snake .

Conduction of heat occurs when vibrating particles pass any extra vibrational energy to nearby particles. The more energy the particles have, the hotter the object gets. An example of this type of heat transfer is when metal pans are heated on a hob. Heat travels through the pan. If the pan handle is also metal, it will get hot, too. This is why metal pans often have plastic or wooden coverings on their handles. Plastic and wood are not good conductors of heat.

Radiation of heat is when heat is radiated to the surrounding area by heat waves. Particles are not involved in this kind of heat transfer.

The heat from the sun travelling through space is an example of heat transfer by radiation. Waves transfer this type of heat.

The campfire and pan example above shows all three kinds of heat transfer.

Heat travels by radiation from the campfire to the metal pan. Heat travels through the pan’s metal by conduction to warm the lower layers of water. The water is then heated by convection as the less dense warmer water rises through the cooler water, creating a convection current !

Remember – heat is only transferred if there is a temperature difference.

Science concepts

• Heat transfer

Last Updated on August 25, 2024 by Emma Vanstone

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• Frontiers - Convection of snow: when and why does it happen?
• BCcampus Open Publishing - Convection
• University of Notre Dame - Church Life Journal - Transubstantiation Isn't a Disconnected Doctrine
• Met Office - What is convection?
• Physics LibreTexts - Convection
• The University of Hawaiʻi Pressbooks - Convection
• convection - Children's Encyclopedia (Ages 8-11)
• convection - Student Encyclopedia (Ages 11 and up)

convection , process by which heat is transferred by movement of a heated fluid such as air or water.

Natural convection results from the tendency of most fluids to expand when heated—i.e., to become less dense and to rise as a result of the increased buoyancy . Circulation caused by this effect accounts for the uniform heating of water in a kettle or air in a heated room: the heated molecules expand the space they move in through increased speed against one another, rise, and then cool and come closer together again, with increase in density and a resultant sinking.

Forced convection involves the transport of fluid by methods other than that resulting from variation of density with temperature . Movement of air by a fan or of water by a pump are examples of forced convection.

Atmospheric convection currents can be set up by local heating effects such as solar radiation (heating and rising) or contact with cold surface masses (cooling and sinking). Such convection currents primarily move vertically and account for many atmospheric phenomena, such as clouds and thunderstorms .

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Science Experiments

Convection Science Experiment – How Heat Moves through Liquid

Can heat cause movement? With a few drops of food coloring, cooking oil, and a candle you can find out! In this simple yet exciting science experiment, kids can explore the concepts of density and convection as they watch convection currents in motion!

A demonstration video, printable instructions, and a supplies list are included as well as an easy to understand scientific explanation of how this experiment works.

Note: Because this experiment uses a fire component, adult supervision is required.

JUMP TO SECTION:   Instructions  |  Video Tutorial  |  How it Works | Purchase Lab Kit

Supplies Needed

• Large heat safe glass bowl
• Cooking Oil
• Food Coloring
• Two 2×4 blocks
• Match or Lighter

Convection Science Lab Kit – Only $5

Use our easy Convection Science Lab Kit to grab your students’ attention without the stress of planning!

It’s everything you need to  make science easy for teachers and fun for students  — using inexpensive materials you probably already have in your storage closet!

Convection Science Experiment Instructions

Step 1 – Begin by filling a large glass bowl with cooking oil.

Step 2 – Next, add between 5-10 drops of food coloring into the oil. Take a moment to make some observations. What happens to the food coloring? Does it mix with the oil?

Helpful Tip: Place the drops near the center of the bowl.

Step 3 – Prop the bowl up off the table using two 2×4 blocks. Position the blocks so there is a space between them to put a candle.

Step 4 – Light a candle and carefully place it under the bowl. The flame of the candle should touch the bottom of the glass bowl. 

Step 5 – Look through the side of the glass bowl and watch carefully to observe what happens. Write down what happens. Helpful Tip: It will likely take 5 minutes before you see anything happen to the liquid/food coloring.

Do you know why the food coloring moves around in the oil? Find out the answer in the how does this experiment work section below.

Video Tutorial

How Does the Science Experiment Work

Heat can move in three ways: conduction, convection, and radiation. In this experiment, heat is transferred by means of convection. Convection is the transfer of heat by the movement of currents within a fluid.

In our experiment, the oil at the bottom of the bowl was heated by the candle. The particles of oil at the bottom of the pot began to move faster and further apart. As a result, these oil particles became less dense than the rest of the oil particles in the bowl, so these heated, less dense oil particles began to rise. (Less dense fluids rise and more dense fluids sink). The surrounding, cooler oil particles flow in to take its place. This flow creates a circular motion known as a convection current . A convection current is caused by the rising and sinking of heated and cooled fluids.

You can see evidence of the convection current if you look at the food coloring in the bowl. Notice bubbles of food coloring rise from the center of the bowl, drift to edges of the bowl, and sink back to the bottom.

Convection currents are all around us and responsible for heating many things! Our homes are heated in the winter through convection currents. The troposphere of the atmosphere (the layer closest to Earth) is heated through convection currents. The mantle inside of Earth is heated through convection currents, which causes Earth’s crust to drift in a process called continental drift.

I hope you enjoyed the experiment. Here are some printable instructions:

Convection Science Experiment

• Two 2×4 blocks

Instructions

• Begin by filling a large glass bowl with cooking oil.
• Next, add between 5-10 drops of food coloring into the oil. Helpful Tip: Place the drops near the center of the bowl.
• Prop the bowl up off the table using two 2×4 blocks.
• Light a candle and carefully place it under the bowl. The flame of the candle should touch the bottom of the glass bowl.
• Look through the side of the glass bowl and watch carefully to observe what happens. Helpful Tip: It will likely take 5 minutes before you see anything happen to the liquid/food coloring.

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Wärmeübertragung durch Strömung (Konvektion)

Beim Wärmetransport durch Konvektion fließt Wärme mit einem strömenden Stoff mit (auch Wärmeströmung genannt).

Eine Möglichkeit der Wärmeübertragung besteht darin, dass heiße Stoffe von einer Stelle zur anderen strömen und dabei entsprechend thermische Energie transportieren. Man spricht deshalb auch von Wärmeströmung oder Konvektion . Dieses Prinzip des Wärmetransports soll durch die nachfolgend aufgeführten Beispiele und eines einfachen Experiments näher erläutert werden.

Beispiel 1: Der Fön

Ein Wärmetransport durch Strömung, findet sich bspw. bei einem Fön wieder. Als Wärmequelle dient dabei eine Heizwendel, die die umgebende Luft erwärmt. Damit diese warme Luft nun zu den nassen Haaren gelangt, erzeugt ein Gebläse einen Luftstrom. Hierdurch strömt die Wärme von der Heizwendel zum Haar.

Beispiel 2: Die Warmwasserheizung

Ein anderes Beispiel das demselben Prinzip des Wärmetransports durch Strömung folgt, ist die Warmwasserheizung. Diese transportiert die Wärme allerdings nicht über einen Luftstrom, sondern über einen erwärmten Wasserstrom. Angetrieben wird der Wasserstrom durch eine Pumpe. Diese fördert das im Kessel erhitzte Wasser über ein Rohr zum Heizkörper ( Vorlauf genannt). Meist sind dabei mehrere Heizkörper nacheinander in Reihe angeordnet. In der Abbildung unten ist der Einfachheit halber jedoch nur ein Heizkörper dargestellt. Nachdem alle Heizkörper durchströmt sind, fließt das nun abgekühlte Wasser über ein Rohr wieder zurück zum Heizkessel ( Rücklauf genannt). Dort wird es wieder erwärmt und der Kreislauf beginnt von vorne.

Beispiel 3: Die Grafikkarte

Als weiteres Beispiel eines Wärmetransports durch Strömung, sei die Kühlung des Chips (GPU) einer Grafikkarte genannt. Dabei sitzt ein massiver Metallkörper mit Kühlrippen auf dem Chip. Die von vom Kühlkörper aufgenommene Wärme der GPU, muss möglichst schnell abtransportiert werden. Dies geschieht dadurch, dass ein aufgesetzter Lüfter einen Luftstrom erzeugt, der durch die Kühlrippen strömt. Der Luftstrom nimmt dabei die Wärme auf und transportiert diese dann anschließend weg.

Nicht immer ist der Lüfter jedoch aktiv. Produziert der Chip nicht sonderlich viel Wärme, z.B. wenn er keine aufwendigen Berechnungen zur Darstellung von Grafiken wie in Spielen durchführen muss, dann bleibt der Lüfter meist aus. In diesem Fall reicht der natürlich Effekt aus, dass warme Luft leichter ist als kalte. Hierdurch steigt die erwärmte Luft von selbst auf und transportiert die Wärme mit. Es ist somit kein aktiver Lüfter notwendig um eine Strömung zu erzeugen (wobei dennoch meist ein Luftstrom aufgrund der PC-Lüfter vorhanden ist).

Experiment zur Wärmeströmung

Um die oben erläuterte Art des Wärmetransports zu demonstrieren, soll ein einfacher Versuch gezeigt werden. Hierzu wird ein gebogenes Glasrohr mit Wasser gefüllt. Im unteren Bereich ist das Wasser eingefärbt. Hierdurch kann später das Strömen des Wassers besser beobachtet werden. Nun wird seitlich im Punkt A ein Bunsenbrenner angebracht, während ein Thermometer im Punkt B von oben in das Rohrsystem gesteckt wird. Wird der Bunsenbrenner nun in Betrieb genommen, so kann nach kurzer Zeit ein Temperaturanstieg beobachtet werden.

Offensichtlich wurde Wärmeenergie von der Wärmequelle A (Bunsenbrenner) zur Stelle B (Temperatursensor) transportiert und sorgte dort für eine Temperaturerhöhung. Die Wärmeübertragung erfolgte dabei mithilfe der Wasserteilchen. Diese wurden zunächst durch den Bunsenbrenner in Punkt A stark in Bewegung versetzt und sorgten dort entsprechend für eine Erhöhung der Wassertemperatur. Aufgrund der geringeren Dichte des warmen Wassers stiegen die „heißen“ Wasserteilchen zum Punkt B hinauf und sorgten für eine entsprechende Erwärmung des Thermometers. Das Aufsteigen des heißen Wassers konnte anhand der eingebrachten Einfärbung gut beobachtet werden.

Zusammenfassung und Illustration

Das Prinzip der Wärmeströmung liegt darin, dass die „heißen“ Teilchen über eine makroskopische Distanz hinweg von einer Stelle A nach B strömen. Wärme strömt in diesem Fall sozusagen mit dem Stoff mit . Im oben beschriebenen Experiment dient das Wasser als Trägermedium der Wärme oder im Falle des Föns, die Luft. Die Wärmeströmung wird in der Fachsprache auch Konvektion genannt. Das Wort Konvektion stammt von dem lateinischen Begriff convectum was soviel bedeutet wie mittragen . Dieser wörtlichen Bedeutung nach wird Wärme also mit einem Stoff mitgetragen. Die untere Animation zeigt hierzu die Veranschaulichung des Prinzips der Wärmeströmung.

Beim Wärmetransport durch Konvektion fließt Wärme mit einem strömenden Stoff mit. Konvektion tritt nur bei strömungsfähigen Stoffen auf, d.h. bei Gasen und Flüssigkeiten. Diese werden auch als Fluide bezeichnet (vom lat. fluidus für „fließen“).

Anmerkung : Der Begriff Wärmeströmung ist insofern etwas unglücklich gewählt, da auch den anderen Wärmeübertragungsmechanismen wie der Wärmeleitung oder der Wärmestrahlung ein strömen von Wärme zugrunde liegt. Tatsächlich bezieht sich der Begriff Strömung im Falle der Wärme strömung tatsächlich nicht auf die Wärme die strömt, sondern auf das Strömen der Fluide, mithilfe deren die Wärme transportiert wird. Der Begriff Wärmeströmung darf auch insbesondere nicht mit dem Begriff Wärmestrom verwechselt werden!

Freie und erzwungene Konvektion

Der Antrieb für eine Wärmeströmung kann wie im Falle des oberen Versuches durch Dichteunterschiede zustande kommen, die auf natürliche Weise beim Erwärmen einer Flüssigkeit oder eines Gases entstehen. Aber auch die Erdanziehung kann solche natürliche Strömungsprozesse direkt hervorrufen. Man denke zum Beispiel an einen Fluss, der über einen Wasserfall in ein weiteres Gewässer strömt. Man spricht in solchen Fällen deshalb auch von natürlicher Konvektion oder freier Konvektion .

Als natürliche Konvektion oder freie Konvektion bezeichnet man den Wärmetransport durch Strömungsprozesse, die entweder direkt durch Erdanziehungskräfte oder durch Dichteunterschiede zwischen den kalten und warmen Stellen in einer Flüssigkeit oder eines Gases verursacht werden.

Das Ausbilden von natürlichen Konvektionsströmungen zeigt sich bspw. beim Erwärmen von Wasser in einem Topf. Die untere Wärmebildaufnahme zeigt in realer Geschwindigkeit das Temperaturverhalten während des Erwärmens von Wasser in einem Topf. Es wird deutlich, dass das erwärmte und damit „leichte“ Wasser von der Wärmequelle in der Mitte des Topfes aufsteigt und nach außen transportiert wird, während das kühlere und somit „schwerere“ Wasser in den Randbereichen absinkt. Das am Boden befindliche kühlere Wasser wird dann schließlich durch die Herdplatte erwärmt und steigt aufgeheizt wieder nach oben. Es kommt auf diese Weise zu einer natürlichen Durchmischung, was den Aufheizvorgang enorm beschleunigt.

Würde das Wasser nicht von unten durch die Herdplatte, sondern von oben erwärmt werden, käme es nicht im selben Maße zur Ausbildung einer Konvektionsströmung. Schließlich würde sich dann das kühlere Wasser am Boden sammeln; und dies ohne, dass sich dort eine Wärmequelle befindet. Das bereits erwärmte Wasser hingegen, würde im oberen Bereich verbleiben. Es käme nicht zu einer Durchmischung und der Aufheizprozess würde in diesem Fall nur sehr langsam erfolgen (vorwiegend durch Wärmeleitung , und Wasser ist tatsächlich ein relativ schlechter Wärmeleiter wie im verlinkten Artikel an einem Experiment verdeutlicht wird).

Kommen Wärmeströmungen hingegen nicht auf natürliche Art durch Dichteunterschiede zustande, sondern werden auf mechanische Art und Weise erzwungen, dann spricht man von erzwungener Konvektion. Das Herumrühren im oben beschriebenen Kochtopf mit einem Kochlöffel wäre dann eine solche erzwungene Konvektion. Auch der Wärmetransport eines Fön oder einer Warmwasserheizung, sind letztlich erzwungene Vorgänge. Im Falle des Föns erzwingt ein Gebläse die Wärmeströmung und im Falle der Warmwasserheizung eine Pumpe. Auch die angesprochenen Lüfter zur Kühlung von PC-Komponenten, dienen letztlich zur Erzeugung von erzwungenen Wärmeströmungen.

Werden Wärmeströmungen auf mechanische Art und Weise erzwungen (z.B. durch ein Gebläse oder einer Pumpe), dann spricht man von erzwungener Konvektion .

Wasser als Strömungsmedium

Wenn möglichst viel Wärme transportiert werden soll, dann wird sehr häufig Wasser genutzt. Dies hat gleich mehrere Gründe.

Zum einen besitzt Wasser eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität , sodass Wasser sehr viel Wärme bei relativ geringer Temperaturänderung aufnehmen kann. Umgekehrt bedeutet dies, dass Wasser auch sehr viel Wärme abgeben ohne eine allzu große Temperaturerniedrigung zu zeigen. Wasser bleibt somit beim Einsatz für Heizzwecke sehr lange warm bzw. beim Einsatz für Kühlzwecke sehr lange kalt.

Zum anderen kann Wasser im flüssigen Zustand sehr gut strömen und steht im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten nahezu kostenlos zur Verfügung. Diese Eigenschaften machen Wasser zu einem hervorragenden Medium für den Wärmetransport durch Wärmeströmung. Deshalb nutzt man Wasser auch in Heizungssystemen oder auch als Kühlmedium in Autos oder in Gaming-PCs zur Kühlung von elektronischen Komponenten.

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F1 Wärmeübertragung durch freie Konvektion: Grundlagen

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• First Online: 01 January 2017
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• André Thess Prof. 1  

Part of the book series: VDI-Buch ((VDI-BUCH))

119k Accesses

2 Citations

1 Problemstellung

Freie Konvektion tritt bei strömenden Medien (Flüssigkeiten und Gasen) auf. Sie entsteht in Folge einer räumlich inhomogenen Dichteverteilung [ 1 ]. Ursache dieser Inhomogenität kann eine ungleichmäßige Temperaturverteilung oder ein Konzentrationsunterschied eines Zusatzstoffes, wie zum Beispiel das Salz im Meerwasser, sein. Die vorliegende Übersicht beschäftigt sich ausschließlich mit der freien Konvektion, die durch einen Temperaturunterschied angetrieben wird.

Abbildung  1 zeigt den allgemeinen Sachverhalt der Wärmeübertragung mit Hinblick auf die praktische Anwendung. Man unterscheidet dabei zwischen Außenströmung (Abb.  1a ) und Innenströmung (Abb.  1b ). Im Fall der Außenströmung ist der gesamte Wärmestrom \(\dot Q\) von einem erwärmten Körper zum umgebenden Medium zu berechnen. Der Körper soll eine gegebene homogene Oberflächentemperatur \({T_S}\) besitzen, während die Temperatur des umgebenden Mediums in großer Entfernung \({T_\infty }\) sei. Analog dazu ist bei der...

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5 Literatur

Incropera FP, DeWitt DP (1996) Fundamentals of heat and mass transfer. Wiley & Sons, New York

Google Scholar  

Moran MJ, Shapiro HN (1995) Fundamentals of engineering thermodynamics. Wiley & Sons, New York

Herwig H (1986) Approximate method of treating the effect of variable properties in the calculation of plane laminar boundary layer flows past cylindrical bodies. Int Chem Eng AIChE J 27:25–33

Herwig H, Schäfer P (1996) A combined perturbation/finite-difference procedure applied to temperature effects and stability in a laminar boundary layer. Arch Appl Mech 66:264–272

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Institut für Thermo- und Fluidynamik, Technische Universität Ilmenau, Ilmenau, Deutschland

André Thess Prof.

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Thess, A. (2013). F1 Wärmeübertragung durch freie Konvektion: Grundlagen. In: VDI-Wärmeatlas. VDI-Buch. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-19981-3_37

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Published : 21 June 2017

Publisher Name : Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg

Print ISBN : 978-3-642-19980-6

Online ISBN : 978-3-642-19981-3

eBook Packages : Computer Science and Engineering (German Language)

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Colorful Convection Currents

Invisible convection currents are revealed using a very colorful demonstration.

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Cool, crisp, clean mountain air has long been an important reason why people move to Colorado, USA. Unfortunately, the air in the city of Denver isn’t quite as clean as it has been. By the 1970s, pollution over the city had a name—the “brown cloud.” Denver’s location at the foot of the Rocky Mountains makes it prone to temperature inversions in which warm air higher in the atmosphere traps cooler air near the ground. This condition prevents pollutants from escaping into the atmosphere. However, the phenomenon of temperature inversion is not unique to Denver, as evidenced by numerous reports of similar brown cloud sightings over major cities throughout the world. This demonstration provides a great illustration of what’s really happening in the atmosphere as hot and cold air masses meet.

Experiment Videos

Here's What You'll Need

Four empty, identical bottles (browse the juice aisle at a grocery store to find bottles similar to those shown. as a general rule, the opening of the bottle should be at least an inch [25 mm] in diameter.), access to hot and cold water, food coloring (yellow and blue) or fizzers coloring tablets, 3 x 5 inch (8 x 13 cm) card or an old playing card, masking tape, paper towels, adult supervision, let's try it.

Fill two of the bottles with hot water from the tap and the other two bottles with cold water. Use masking tape and a pen to label the bottles “HOT” and “COLD.”

Use yellow food coloring in the warm water and blue food coloring in the cold water. Each bottle must be filled to the brim with water.

Your first observation will be what happens when the bottle filled with hot water sits on top of the bottle filled with cold water. To do this, place the card over the mouth of a  hot water bottle (the yellow water). This can be a little tricky, but with practice you’ll get it. Hold the card in place as you turn the bottle upside down and place it on top of a  cold water bottle  (the blue water). The two bottles should be positioned so that they are mouth-to-mouth with the card separating the two liquids. (Have paper towels close by in case everything doesn’t go exactly as planned.)

Carefully slide the card out from between the two bottles. Make sure you are holding the top bottle as you remove the card. Watch what happens to the colored liquids in the two bottles with the card removed.

The second part of the experiment is similar to the first. This time, you need to place the cold water (blue) on top of the hot water (yellow). Repeat Steps 3 and 4 and carefully remove the card. Watch what happens this time.

How Does It Work

Hot air balloons rise because warm air in a balloon is lighter and less dense than cold air. Similarly, warm water is lighter or less dense than cold water. When the bottle of warm water is placed on top of the cold water, the more dense cold water stays in the bottom bottle and the less dense warm water is confined to the top bottle. However, when the cold water bottle sits on top of the warm water bottle, the less dense warm water rises into the top bottle and the cold water sinks into the bottom bottle. The movement of the water is clearly seen as the yellow and blue food colorings mix, creating a green liquid.

The movement of the warm and cold water inside the bottles is referred to as a convection current. In our daily life, warm currents of water occur in oceans. The warm Gulf Stream moves northward along the American Eastern Seaboard and crosses the Atlantic Ocean all the way to Europe. Convection currents in the atmosphere are responsible for the formation of thunderstorms as warm and cold air masses collide.

Although the colored liquids that mix are more interesting to watch, the other set of warm and cold water bottles helps to illustrate an important phenomenon that can occur in the atmosphere in cooler months. During daylight hours, the Sun heats the surface of the Earth and the layer of air closest to the Earth warms. This warm air rises and mixes with other atmospheric gases. When the Sun goes down, less dense warm air higher in the atmosphere blankets the colder air closer to the surface. Because the colder air is more dense than the warm air, the colder air is trapped close to the Earth and the atmospheric gases do not mix. This is referred to as a  temperature inversion .

Real-World Application

What are the results of a temperature inversion in the atmosphere? Air pollution is much more noticeable during a temperature inversion since pollutants such as car exhaust and particulates are trapped in the layer of cool air close to the surface. As a result, state agencies in many parts of the country oxygenate automobile fuels during winter months with additives like MTBE in an attempt to reduce the harmful effects of trapped pollution. It is this trapped pollution that causes the brown cloud effect. Wind or precipitation can often alleviate the brown cloud by stirring and breaking up the layer of warm air that traps the cold air and pollution near the surface of the Earth.

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Mantelkonvektion & Kontinentaldrift

Als Mantelkonvektion werden die langsamen Ströme im Erdinneren bezeichnet, die die Masse im Erdmantel umwälzen .

Wiederholung Schalenbau der Erde

• Die Lithosphäre schwimmt auf dem Magma des Erdmantels: Der plastischen Fließzone
• Die Lithosphäre lässt sich in untere Lithosphäre und Erdkruste unterscheiden
• Die Kruste lässt sich in ozeanische und kontinentale Kruste unterscheiden
• Die Lithosphäre besteht aus mehreren Bruchstücken , den Lithosphäreplatten
• Durch radioaktiven Zerfall ist es im Kern der Erde extrem heiß

Mantelkonvektion

Konvektion = Wärmeübertragung durch eine Flüssigkeit oder ein Gas

• Flüssigkeiten werden beim Erhitzen leichter , denn ihre Dichte nimmt ab
• Deshalb steigt die warme, leichte Masse auf und die kalte, schwere Masse darüber sinkt ab
• Unten am Kern heizt sich die abgesunkene Masse auf und steigt wieder hoch
• Je höher die Masse kommt, desto mehr kühlt sie ab und sinkt seitlich wieder nach unten
• Insgesamt entsteht ein Konvektionsstrom

Konvektionsstrom am Beispiel eines Kochtopfs

Genauso ist es im Erdinneren :

• Der innere Erdkern wirkt wie die Herdplatte
• Anstatt des Wassers bewegt sich das Gestein hoch und sinkt durch das Abkühlen seitlich ab
• Allerdings bewegt sich das Gestein extrem langsam : nur etwa 5 cm pro Jahr
• Das bedeutet, dass ein gesamter Umlauf von unten nach oben und zurück 240 Million Jahre dauert

Bewegung der Lithosphärenplatten

Divergierende platten.

• Weil die Lithosphäreplatten auf dem Magma des Erdinneren schwimmen wie Eisschollen auf dem Meer , werden auch sie durch die Mantelkonvektion bewegt
• Die Platten bewegen sich viel langsamer als Eisschollen: Nur etwa 2 bis 20cm pro Jahr
• An dem Ort, an dem die Platten auseinanderdriften , steigt Magma auf
• Das Magma drückt die Platten also auseinander:
• Das Auseinanderdrücken nennt man Sea floor spreading
• Die Platten divergieren : Das beudetet, dass sie voneinander wegdriften

Das Magma durchbricht die Erdkruste an ihrer dünnsten Stelle : Unter den Ozeanen : So entstehen Mittelozeanische Rücken

Konvergierende Platten

• Driftet die ozeanische Platte gegen eine kontinentale Platte , prallen sie zusammen
• Dazu sagt man, dass die Platten konvergieren
• Die ozeanische Platte wird dann unter die kontinentale Platte gedrückt, weil die ozeanische Platte eine höhere Dichte hat und deshalb abtaucht
• An diesen Orten können Vulkane und Gebirge entstehen
• Das Abtauchen der ozeanischen Platte nennt man Subduktion
• Das abgesunkene Gestein beginnt dann seinen Weg hin zum Erdkern

Hattest du Schwierigkeiten oder ist dir etwas noch nicht ganz klar? Chatte mit dem AI Tutor, um dieses Thema zu meistern!

Divergierende Platten: Island

• Island liegt über der Grenze der eurasischen und der nordamerikanischen Platte
• Es ist aus aufsteigenden Magmaströmen in dem europäischen Nordmeer entstanden
• Es gibt deshalb auch sehr viele Vulkane auf Island

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