Konvektion

Konvektion (von lateinisch convectum ‚mitgetragen‘, auch Wärmemitführung) ist das Mitführen durch ein strömendes Fluid. Mitgeführt werden können gelöste Stoffe oder physikalische Größen wie Impuls, Vortizität oder – als ein Mechanismus des Wärmetransports – thermische Energie.

Die Strömung kann z.B. durch Pumpen oder Ventilatoren erzwungen sein oder durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen.

Konvektionszellen in einem von unten beheizten Gefäß

Insbesondere bei Temperaturunterschieden als Ursache der Strömung (thermische Konvektion) ist das oft der Hauptaspekt.

Die Bewegung des Fluids wird auch Konvektionsstrom genannt.

Physikalische Hintergründe

Der Dichteunterschied wird durch Erwärmen auf der einen Seite und Abkühlen auf der anderen Seite des Kreislaufes aufrechterhalten. Der daraus resultierende Differenzdruck wird „treibender Druck“ oder auch „wirksamer Druck“ genannt. Man spricht auch von Schwerkraftwirkung.

Der Differenzdruck $\Delta p$ ist vom Dichteunterschied $\Delta \rho$ und der wirksamen Höhe abhängig nach der Formel:

$\Delta p=h\cdot g\cdot ({\rho _{2}}-{\rho _{1}})$

: wirksame Höhe in m
: Erdbeschleunigung in m/s²
$\rho _{1}$ : Dichte bei Temperatur 1
$\rho _{2}$ : Dichte bei Temperatur 2

Mechanismen

Gravitation und Dichteunterschiede

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 statischen Auftrieb.

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. Kommen die Dichteunterschiede durch eine Ansammlung von Mikroorganismen an der Oberfläche der Flüssigkeit zustande, spricht man von Biokonvektion.

Beispiele

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)

Die Marangoni-Konvektion ist eine Strömung, die durch Unterschiede der Grenzflächenspannung entsteht. Dadurch kommt es u. a. zur Stabilisierung von Schäumen. Ursache für die unterschiedliche Grenzflächenspannung können z.B. Änderungen der Temperatur, der Konzentration gelöster Stoffe (z.B. Detergentien) oder der Ladungsdichte (Elektrokapillarität) entlang der Grenzfläche sein. Hierdurch strömt das Fluid entlang der Grenzfläche vom Ort erniedrigter Grenzflächenspannung in Richtung der lokal erhöhten Grenzflächenspannung, die beispielsweise durch eine verminderte Detergens-Konzentration hervorgerufen werden kann. Folglich kommt es zu einer Reduktion des Gradienten der Oberflächenspannung. Eine Kenngröße für die Marangoni-Konvektion ist die Marangoni-Zahl.

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. Da im Allgemeinen die Grenzflächenspannung mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Grenzflächenspannung dicht an der Flamme geringer als am Rand der Kerze. Dadurch wird die Flüssigkeit nach außen gerissen und nimmt oberflächennahes Wachs mit, das dadurch zu einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese wird durch die Rußpartikel sichtbar.

Ein weiteres anschauliches Beispiel sind die sogenannten „Tränen“ an der Innenwand eines mit Wein gefüllten Glases. Für industrielle Anwendungen besonders relevant ist die Marangoni-Konvektion in Prozessen mit hohen Gradienten wie z. B. bei der Halbleiterherstellung oder beim Schweißen.

Äußere mechanische Einwirkung

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.

Übertragungs- und Austauschvorgänge

Bei der Konvektion werden physikalische Größen transportiert und über die Grenzschicht zu angrenzenden Körpern oder Fluiden übertragen oder mit diesen ausgetauscht. Diese Vorgänge sind abhängig von

den Stoffeigenschaften, wie z.B. der Wärmeleitfähigkeit oder der Dichte,
der Form der Körper, wie z.B. Rohr, ebene Platte oder unregelmäßige Oberflächenformen und
der dadurch beeinflussten Strömung, die laminar oder turbulent sein kann.

Mit der Konvektion finden folgende Übertragungs- und Austauschvorgänge statt:

Energie und Entropie werden durch Wärmeleitung aus dem strömenden Fluid übertragen oder durch die Dissipation infolge Reibung erzeugt. Des Weiteren können Energie und Entropie auch durch Phasenübergänge und Stoffaustausch übertragen werden.

Stoffe und elektrische Ladungen werden ausgetauscht u.a. durch Diffusion, Phasenübergang (z.B. Trocknen, Sorption, Verdampfen, Erstarren), Dissoziation, Ionisation und Reibung.

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.

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.

Ist das Fluid ein Stoffgemisch, erfordert dies eine getrennte Betrachtung der einzelnen Komponenten.

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 infolge 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 natürlichen Konvektion (thermisch und infolge von Konzentrationsunterschieden) auch die Marangoni-Konvektion (Schmelze fließt in Richtung hoher Oberflächenspannung) und bei induktiver Heizung oder anderen bewegten Magnetfeldern auch eine elektromagnetische Konvektion.

Siehe auch

Konvektions-Diffusions-Gleichung

Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de