Konvektion ist die gleichförmige und gemeinsame Bewegung von Teilchen in Fluiden (Flüssigkeiten, Gase, Plasma), aber z. B. auch im Erdmantel. Mit den Teilchen wird ebenfalls die in ihnen gespeicherte thermische Energie transportiert.
Konvektive Vorgänge sind bedingt durch die gemeinsame Bewegung von frei beweglichen Teilchen relativ zu angrenzenden Körpern, also durch die Strömung eines Fluids (meist Flüssigkeit oder Gas). Sie tauschen physikalische Größen (beispielsweise Energie) zwischen dem Fluid und angrenzenden Körpern aus und transportieren sie innerhalb des Fluids. Die Transport- und Austauschvorgänge sind wesentlich von der Strömung und den Grenzschichten des Fluids zu angrenzenden Körpern beeinflusst.
Bei einer Strömung wird das Volumen, die Masse und die Stoffmenge des Fluids transportiert. Diese Größen sind drei Möglichkeiten zu beschreiben, wieviel Fluid bewegt wird. Mit dem strömenden Fluid werden auch Größen wie Energie, Entropie, Impuls, Drehimpuls und elektrische Ladung transportiert.
Konvektion ist im engeren Sinn ein Wärmetransportmechanismus, der konvektive Austausch und Transport von thermischer Energie und somit von Entropie. Konvektion im weiteren Sinn bezeichnet konvektive Strömungen mit den dabei auftretenden konvektiven Vorgängen. In der Meteorologie und der Hydrologie werden oft nur Vorgänge mit vertikaler Strömung als konvektive Vorgänge bezeichnet, während bei horizontalen Strömungen dort von advektiven Vorgängen, beziehungsweise von Konvergenz und Divergenz gesprochen wird.
Ist das Fluid ein Stoffgemisch, kann dies eine getrennte Betrachtung der einzelnen Stoffströme nötig machen. Die Stoffeigenschaften, wie Viskosität, Dichte, Wärmekapazität und Ausdehnungskoeffizient beeinflussen die Strömung und werden wiederum von den oben genannten physikalischen Größen beeinflusst.
Strömung wird durch Gravitation und Dichteunterschiede im Fluid angetrieben. Die so verursachte Strömung wird als natürliche Konvektion oder freie Konvektion bezeichnet. Die Dichteunterschiede resultieren aus Temperaturunterschieden oder Konzentrationsunterschieden. Das unterschiedliche Volumen gleicher Massen führt dann zu unterschiedlichem Auftrieb.
Werden die Dichteunterschiede durch Temperaturunterschiede verursacht, werden auch die Bezeichnungen Thermische Konvektion oder Wärmekonvektion benutzt.
Werden die Dichteunterschiede durch unterschiedliche Stoffdichten hervorgerufen, wird dies chemische Konvektion, bei Lösungen auch solutale Konvektion, bei Salzlösungen auch haline Konvektion oder in Verbindung mit thermischer Konvektion auch thermohaline Konvektion genannt.
Beispiel
In polaren Regionen des Meeres gefriert Wasser zu einer Eisdecke. Das im Meerwasser enthaltene Meersalz verbleibt im Wasser unter dem Eis, wodurch sich in diesem Bereich die Salzkonzentration erhöht. Dieses höher konzentrierte Salzwasser hat eine höhere Dichte und sinkt in Bereiche ab, in welchen das vorhandene Meerwasser infolge niedrigerer Temperatur die gleiche Dichte aufweist. Das unten verdrängte Wasser strömt hinauf bis unter die Eisdecke und der Vorgang beginnt erneut. Es entsteht eine thermohaline Konvektion bzw. thermohaline Zirkulation.[1]
Äußere mechanische Einwirkung kann zum Beispiel durch Pumpen oder Ventilatoren erfolgen. Es werden Druckunterschiede erzeugt, welche wiederum ein Fließen des Fluids hervorrufen.
Weitere treibende Kräfte sind Impulse, magnetische und elektrische Felder. Sie entstehen beispielsweise durch elektrische Spannungen oder Ströme. Der Impuls wird über die Grenzfläche auf das Fluid übertragen oder wirkt auf das Volumen des Fluids.
Bei der Konvektion werden physikalischen Größen transportiert und über die Grenzschicht zu angrenzenden Körpern oder Fluiden übertragen oder mit diesen ausgetauscht. Diese Vorgänge sind abhängig von
Mit der Konvektion finden folgende Übertragungs- und Austauschvorgänge statt:
Treten chemische Reaktionen auf, werden die transportierten Größen zusätzlich beeinflusst. Es entstehen zusätzlich Entropie, Impuls und chemische Reaktionsprodukte. Des Weiteren kann die Wand als Katalysator wirken.
Einige der genannten Vorgänge, wie beispielsweise Erstarren und Verdampfen, finden meist oder nur bei gleichzeitigem Auftreten von Konvektion statt.
Sind ausreichende Informationen über das Fluid, überströmte Körper, die Strömung und weitere Einflüsse bekannt, lassen sich unter Berücksichtigung der vielfältigen Wechselwirkungen über geeignete Gleichungen alle Ströme der physikalischen Größen berechnen, oft ist dies gerade bei turbulenten Strömungen nur mit Hilfe empirisch ermittelter Modelle und Näherungen und nur mit einiger Unsicherheit möglich. Simulationen erfolgen rechnergestützt, grafische Darstellungen der errechneten Felder (etwa Temperaturfelder, Strömungen) machen die Ergebnisse anschaulich.
Grundlegend beschrieben, werden die Austauschvorgänge durch Bilanzgleichungen. Diese geben für jedes Volumen, also jeden frei gewählten räumlichen Bereich, die dort vorhandenen Wertveränderungen an. Diese Wertveränderungen ergeben sich aus den einfließenden Strömen (mit Vorzeichen) der transportierten Größen. So ermöglichen die Bilanzgleichungen die Berechnung der Felder. Die unterschiedlichen Grenzschichtgleichungen dienen der Berechnung der Ströme durch die Grenzschicht zwischen dem Fluid und einem überströmten Körper. Entscheidend für eine aussagefähige Simulation eines konvektiven Transportvorgangs ist die Auswahl der geeigneten Modelle und Gleichungen, entsprechend dem konkreten Problem. Dafür sind insbesondere Entscheidungen welche Einflüsse vernachlässigbar sind zu treffen, da eine vollständige Berechnung realer Vorgänge meist nicht möglich ist oder zumindest zu aufwändig wäre.
Für die Beschreibung und Berechnung konvektiver Vorgänge werden unter anderem verschiedene dimensionslose Kennzahlen und Gleichungen der Strömungsmechanik, der Thermodynamik und anderer Physikfachbereiche verwendet. Zentrale Bedeutung haben die Navier-Stokes-Gleichungen. Die Untersuchung konvektiver Vorgänge erfolgt interdisziplinär in der Strömungslehre und weiteren naturwissenschaftlichen Fachbereichen.
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