Konvektion

Konvektionsströmungen in den Ozeanen
rot: oberflächennahe Strömung,
blau: Tiefenströmung

Konvektions-Zellen in einem erwärmten Gefäß

Konvektion ist die gleichförmige und gemeinsame Bewegung von Teilchen in Fluiden (z. B. Flüssigkeiten, Gase). Mit den Teilchen wird ebenfalls die in ihnen gespeicherte thermische Energie transportiert.

Übersicht

Strömung und damit verbundene Vorgänge

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 und konvektiv

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.

Stoffe

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.

Mechanismen

Gravitation und Dichteunterschiede

Konvektion infolge unterschiedlicher Stoffdichten in warmen (links) und kaltem Wasser (rechts)

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.

Oberflächenspannung (Marangoni-Konvektion)

Der Marangoni-Effekt verursacht Weintränen, welche im Schatten des Weinglases, oberhalb des Flüssigkeitsniveaus, zu erkennen sind.

Die Marangoni-Konvektion bezeichnet eine Strömung, die durch Unterschiede der Grenzflächenspannung entsteht. Ursache für die unterschiedliche Grenzflächenspannung können z. B. Gradienten der Temperatur, der Konzentration gelöster Stoffe oder der Ladungsdichte (Elektrokapillarität) entlang der Grenzfläche sein. Hierdurch strömt das Fluid entlang der Grenzfläche in Richtung der größeren Spannung. Die Marangoni-Konvektion kann mit der Marangoni-Zahl charakterisiert werden.

Beispiele

Beobachten lässt sich die Marangoni-Konvektion, wenn kleine Rußpartikel im flüssigen Wachs einer Kerze schwimmen. In der Nähe der Flamme ist die Oberfläche des flüssigen Wachses heißer als weiter außen am Rand der Kerze. Dadurch wird die Oberfläche nach außen gerissen und nimmt oberflächennahes Wachs mit, das dadurch zu einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese wird durch die Rußpartikel sichtbar.

Ein weiteres Beispiel sind die sogenannten Weintränen. In einem mit Wein gefüllten Glas kriecht aufgrund der Adhäsion ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Innenseite nach Oben. Da Alkohol schneller verdunstet als Wasser, wird nach oben hin die Alkoholkonzentration geringer und die Oberflächenspannung größer. Weitere Flüssigkeit strömt nach, bis die Schwerkraft überwiegt. Herablaufende Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung zieht sich beim Durchqueren von Flüssigkeit mit geringer Oberflächenspannung zu schmalen Rinnsalen zusammen.

Der Marangoni-Effekt spielt eine maßgebliche Rolle bei der Stabilisierung von flüssigen Schäumen. Hierbei bewirkt der durch eine Störung der Schaumfilmoberfläche induzierte Gradient der Oberflächenspannung einen die Störung heilenden, konvektiven Strom der interlamellaren Flüssigkeit.

Äußere mechanische Einwirkung

→ Hauptartikel: Erzwungene Konvektion

Äußere mechanische Einwirkung kann zum Beispiel durch Pumpen oder Ventilatoren erfolgen. Es werden Druckunterschiede erzeugt, welche wiederum ein Fließen des Fluids hervorrufen.

Weitere Mechanismen

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.

Austauschvorgänge

Beim konvektiven Austausch werden die physikalischen Größen mit der Strömung transportiert und über die an den Grenzflächen bildende Grenzschicht mit angrenzenden überströmten Körpern ausgetauscht. Dies können Festkörper oder andere Fluide sein. Die Austauschvorgänge sind abhängig von den Stoffeigenschaften, wie etwa Wärmeleitfähigkeit oder Dichte, sowie von der Form der Körper, etwa Rohr, ebene Platte oder aber unregelmäßige Oberflächenformen und der dadurch beeinflussten Strömung, die laminar oder turbulent sein kann.

• Impuls wird über Reibung ausgetauscht, wobei kinetische Energie durch Dissipation in Entropie gewandelt wird, was dann eine Entropiequelle darstellt, zu einer Erhöhung der Temperatur führt und bei kompressiblen Fluiden den Druck erhöhen kann. Die Reibung am überströmten Körper bremst das Fluid unmittelbar an der Oberfläche des überströmten Körpers annähernd bis zum Stillstand, so dass die eigentliche Strömung nicht direkt am Körper fließt, sondern nur bis in die Grenzschicht reicht. Impuls wird auch durch Druck ausgetauscht.
• Energie und Entropie wird durch Wärmediffusion und Wärmeleitung in Verbindung mit der Strömung und Vermischung und häufig den auftretenden Wirbeln (turbulente Strömung) ausgetauscht oder aber durch die genannte Dissipation infolge Reibung produziert. Ursache des Austausches von Energie und Entropie können auch Phasenübergänge und Stoffaustausch sein. Bei kompressiblen Gasen, wird die Temperatur vom Druck beeinflusst.
• Stoffe und elektrische Ladungen werden mittels unterschiedlicher physikalischer Vorgänge ausgetauscht. Etwa Diffusion, Phasenübergänge (wie Trocknen, Sorption, Verdampfen, Erstarren), Dissoziation, Ionisation, Reibung, damit verbunden Ladungstrennung, und -ausgleich. Die transportierten Größen werden auch durch chemische Reaktionen homogen im Fluid oder inhomogen in der Grenzschicht zu einem anderen Körper beeinflusst. Es entstehen zusätzlich Entropie, Impuls und die chemischen Reaktionsprodukte, was die Berechnung der Ströme physikalischer Größen verkompliziert. Die Wand kann dabei als Katalysator wirken.

Für sich betrachtet sind die genannten beteiligten und beeinflussenden Prozesse nicht konvektiv, sie können ohne Strömung auftreten, beispielsweise die Wärmeleitung in festen Körpern. Erst gemeinsam mit einer Strömung betrachtet, ergeben sich konvektive Vorgänge. Einige Prozesse, beispielsweise Erstarren und Verdampfen, können kaum ohne Strömung stattfinden. Letztere sind bei genauerer Untersuchung immer gemeinsam mit den Strömungen in den fluiden Phasen als konvektive Vorgänge zu betrachten.

Berechnungen und Simulationen

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.

Beispiele

• Ein Schwimmer gleitet durch kühles Wasser. Das Wasser überströmt den Körper entgegen der Fortbewegungsrichtung. Die Schwimmzüge der Arme und Beine führen zu zusätzlichen Strömungen relativ zu diesen Körperteilen. Es treten ungleichmäßige laminare und turbulente Strömungen auf. Die Abgabe von Wärmeenergie an das Wasser ist vor allem beeinflusst von der Körpertemperatur, der Erwärmung durch Stoffwechsel (exotherme chemische Reaktion), dem leitungsartigen und konvektiven Transport der Wärme im Körper und dem Wärmeaustausch mit und -transport in dem Wasser. Die Schwimmzüge tauschen in Folge Reibung und Druckdifferenzen Impuls zwischen Wasser und Körper aus. Die Reibung des Wassers in der Grenzschicht zur Körperoberfläche produziert Wärmeenergie und Entropie und verringert so die Wärmeabgabe des Körpers geringfügig. Daneben treten konvektive Vorgänge auch zwischen Körper und Luft (einschließlich Atmung und Verdunstung) auf.

• Eine dünne Schicht eines nematischen Flüssigkristalls wird mit einem Temperaturfeld oder einem elektrischen Feld beaufschlagt. Unter geeigneten Bedingungen stellt sich eine durch das Temperaturfeld oder das elektrische Feld (elektrische Konvektion) angetriebene Konvektionströmung ein. Bei mittlerer Stärke des Feldes bilden sich Konvektionswalzen in der anisotropen Schicht, bei hoher Stärke des Feldes lösen sich die Muster durch den Übergang in turbulente Strömungen auf.

• Bei der Züchtung von Einkristallen aus Metalllegierungen kann das gewünschte gleichmäßige Kristallwachstum beim Erstarren der Schmelze durch konvektive Vorgänge gestört, aber auch bewusst beeinflusst werden. Diese Vorgänge sind neben der natürliche Konvektion (thermisch und in Folge von Konzentrationsunterschieden) auch die Marangoni-Konvektion (Schmelze fließt in Richtung hoher Oberflächenspannung) und bei induktiver Heizung oder anderen bewegten Magnetfeldern auch eine elektromagnetische Konvektion.

Literatur

• Michael Jischka: Konvektiver Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch. Vieweg, Braunschweig; Wiesbaden 1982, ISBN 3-528-08144-9.

• Ulrich Kilian, Christine Weber [Red.].: Lexikon der Physik in sechs Bänden. Bd. 3, Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 3-86025-293-3.