Konvektion

Strömungstransport
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Konvektion (von lateinisch convehere ‚herbeibringen‘[1]) oder Strömungstransport ist der Transport physikalischer Zustandsgrößen in einem strömenden Fluid. Physikalische Zustandsgrößen können dabei etwa mitgeführte Teilchen, Impuls, Vortizität oder thermische Energie sein.

  • Der konvektive Transport thermischer Energie ist ein Mechanismus des Wärmetransports und wird auch Wärmemitführung genannt.
  • Tritt infolge von Temperaturunterschieden ein statischer Auftrieb als die Ursache der Strömung auf, wird dies thermische Konvektion, natürliche Konvektion, freie Konvektion oder Wärmeströmung genannt.
  • Außerdem kann die Strömung z. B. durch Pumpen oder Ventilatoren verursacht werden oder durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen, dies wird erzwungene Konvektion genannt.
Konvektionszellen in einem von unten beheizten Gefäß

Im angelsächsischen Sprachraum bezeichnet convection im weiteren Sinne jede Bewegung von Molekülen innerhalb eines Fluids und umfasst daher neben der reinen Advektion durch Strömung auch die Diffusion durch Bewegung auf atomarer Ebene (also innerhalb von Fluiden oder fester Materie).

MechanismenBearbeiten

Gravitation und DichteunterschiedeBearbeiten

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.[2]

Oberflächenspannung (Marangoni-Konvektion) Bearbeiten

 
Der Marangoni-Effekt verursacht die Weintränen, die hier im Schatten des Weinglases gut zu erkennen sind.

Als Marangoni-Konvektion bezeichnet man eine Strömung, die durch den Gradienten der Grenzflächenspannung entsteht. Ursache für die unterschiedliche Grenzflächenspannung können z. B. ein Temperaturgefälle oder Konzentrationsgefälle gelöster Stoffe entlang der Grenzfläche sein. Das Fluid strömt dabei entlang der Grenzfläche in Richtung der größeren Spannung. Als Kennzahl zur Charakterisierung der Marangoni-Konvektion eignet sich die Marangoni-Zahl, welche sich als das Verhältnis von Grenzflächenspannung zur Viskosität verstehen lässt.

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 Oberfläche nach außen gerissen und nimmt oberflächennahes Wachs mit, das dadurch zu einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese wird durch die Rußpartikel sichtbar.

Ein weiteres bekanntes Beispiel sind die sogenannten Weintränen. Aufgrund der Adhäsion kriecht ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Glasoberfläche hoch. Da Alkohol schneller verdunstet als Wasser, wird nach oben hin die Alkoholkonzentration geringer und dadurch die Oberflächenspannung größer, weitere Flüssigkeit strömt nach, bis die Schwerkraft überwiegt. Herablaufende Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung zieht sich beim Durchqueren der Zone 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.

Auch ist der Marangoni-Effekt wichtig für Prozesse bei der Metallverarbeitung mit hohen Temperaturgradienten, wie z. B. bei der Halbleiterherstellung oder beim Schweißen.

Äußere mechanische EinwirkungBearbeiten

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

Weitere MechanismenBearbeiten

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.

Mathematische BeschreibungBearbeiten

Die substantielle Ableitung in einem Fluid setzt sich aus der lokalen und der konvektiven Ableitung zusammen. In kartesischen Koordinaten gilt für eine Fluideigenschaft  :

 

In dieser Form tritt der Konvektionsterm insb. in der Konvektions-Diffusions-Gleichung auf.

Speziell ist in den Navier-Stokes- oder Eulergleichungen   mit der Fluidgeschwindigkeit  . Damit lautet der Term der konvektiven Beschleunigung  .[3]

Übertragungs- und AustauschvorgängeBearbeiten

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:

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 SimulationenBearbeiten

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 (wobei für kleine Temperaturschwankungen im imkompressiblen Fall häufig die Boussinesq-Approximation benutzt wird). 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.

BeispieleBearbeiten

  • 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 im 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.[4]
  • 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.[5]
  • Teebeutelrakete

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

  • Michael Jischa: 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. Band 3. Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 3-86025-293-3.

WeblinksBearbeiten

Wiktionary: Konvektion – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Konvektion – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Konvektion. In: Duden online. Abgerufen am 11. Juni 2019.
  2. Britta Weber: Thermohaline Konvektion. 10. Februar 1997, archiviert vom Original am 11. Juni 2008; abgerufen am 6. Januar 2015 (Gestaltet im Rahmen des Projektes ENGL/EMIR, W. Hassenpflug, W. D. John, Uni Kiel).
  3. Skript M. Fraaß, Beuth Hochschule
  4. Ingo Rehberg: Musterbildung in hydrodynamischen Systemen. (PDF, 3,28 MB) 1994, abgerufen am 6. Januar 2015 (25. Ferienkurs des IFF Jülich: Komplexe Systeme zwischen Atom und Festkörper).
  5. Holger Bitterlich: Züchtung und physikalische Eigenschaften von Seltenerd-Übergangsmetall-Einkristallen. Dissertation, Technische Universität Dresden. 2000, abgerufen am 6. Januar 2015.