Konvektion

Konvektion (von lat. convehere = mittragen, mitnehmen) ist, neben den konkurrierenden Methoden Wärmeleitung und Wärmestrahlung, ein Mechanismus zur Wärmeübertragung von thermischer Energie von einem Ort zu einem anderen. Konvektion ist stets mit dem Transport von Teilchen verknüpft, die thermische Energie mitführen. In nicht-permeablen Festkörpern oder im Vakuum kann es folglich keine Konvektion geben - man kann aber heiße oder kalte Festkörper transportieren. Konvektion ist in Gasen oder Flüssigkeiten kaum zu vermeiden. Auch Feststoffpartikel in Fluiden können an der Konvektion beteiligt sein, siehe z. B. Wirbelschicht.

Allgemeines

Konvektion wird durch eine Strömung hervorgerufen, die Teilchen befördert. Ursache für die transportierende Strömung können unterschiedliche Kräfte sein, wie z. B. die Schwerkraft oder Kräfte, die von Druck-, Dichte-, Temperatur- oder Konzentrationsunterschieden herrühren.

Man unterscheidet dabei die

freie oder natürliche Konvektion, bei der der Teilchentransport ausschließlich durch Auswirkungen des Temperaturgradienten, also zum Beispiel durch Auf- bzw. Abtrieb des Fluids infolge der durch die Temperaturänderung hervorgerufenen Dichteunterschiede (siehe Wärmerohr) bewirkt wird, und erzwungene Konvektion, bei der der Teilchentransport durch äußere Einwirkung, zum Beispiel ein Gebläse oder eine Pumpe, hervorgerufen wird. Freie Konvektion aufgrund thermischer Dichteunterschiede: Bei Erwärmung dehnen sich Stoffe in der Regel aus (Ausnahme z. B. die Dichteanomalie des Wassers). Unter Einwirkung der Gravitationskraft steigen innerhalb eines Fluids Bereiche mit geringerer Dichte gegen das Gravitationsfeld auf (Auftrieb), während Bereiche mit höherer Dichte darin absinken.

Wenn an der Unterseite Wärme zugeführt wird und an der Oberseite die Möglichkeit zur Abkühlung besteht, so entsteht kontinuierliche Strömung: Das Fluid wird erwärmt, dehnt sich dabei aus und steigt nach oben. Dort angelangt kühlt es sich ab, zieht sich dabei wieder zusammen und sinkt ab, um unten erneut erwärmt zu werden.

Beispiele für Konvektion

Der Golfstrom ist ein Musterbeispiel für Konvektion. Aus der Karibik wird warmes Oberflächenwasser zunächst entlang der Ostküste der USA, dann weiter in nord-östlicher Richtung quer über den Atlantik an Irland vorbei transportiert. Durch Verdunstungsverluste wird das Wasser spezifisch schwerer und sinkt bei Island in die Tiefe. Ohne diese "Warmwasserheizung" wären die Temperaturen in Europa so niedrig, dass die Besiedelung vergleichbar gering wäre wie in Mittelkanada. Die Erdatmosphäre und die Ozeane beziehungsweise Meere bilden ein gigantisches System freier Konvektion mit einem Zweiphasensystem Luft/Wasser, mit Verdampfung/Kondensation und Mischung/Entmischung (Wolken/Regen) sowie Wärmequellen (solar beheizte Flächen auf dem Festland und den Meeren) und -senken (der Sonne abgewandte Seite der Erde oder polnahe Regionen), Zirkulation (Golfstrom) usw. Großräumiger horizontaler Wärmetransport wird auch als Advektion bezeichnet. In der temperaturbedingten Dichteschichtung von Seen kommt es zu Zeiten der oberflächlichen Abkühlung (nachts und im Herbst) zu vertikalen Konvektionsströmungen zwischen oberflächlichen und tieferen Wasserschichten. Im Inneren der Erde sind auch Feststoffe, in diesem Fall Gesteine, bedingt fließfähig und führen über einen langen Zeitraum hinweg zu Wärmetransportprozessen. Sowohl der Erdmantel als auch der äußere Erdkern bilden Konvektionssysteme planetarer Dimension. Im Erdmantel konvektiert das Gestein, das aufgrund der hohen Temperaturen auf geologischen Zeitskalen wie eine Flüssigkeit strömen kann (Festkörperkriechen). Man spricht von einer Mantelkonvektion durch die so genannten Plumes. Im äußeren Kern erzeugt die Konvektion der flüssigen Eisenlegierung das Erdmagnetfeld.

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