Wenn Sie Ihre Hand näher an eine eingesch altete elektrische Lampe bringen oder Ihre Handfläche auf einen heißen Herd legen, können Sie die Bewegung warmer Luftströme spüren. Der gleiche Effekt kann beobachtet werden, wenn ein Blatt Papier über einer offenen Flamme oszilliert wird. Beide Effekte werden durch Konvektion erklärt.
Was ist das?
Das Phänomen der Konvektion beruht auf der Ausdehnung einer kälteren Substanz in Kontakt mit heißen Massen. Unter solchen Umständen verliert die erhitzte Substanz ihre Dichte und wird leichter im Vergleich zu dem sie umgebenden k alten Raum. Am genauesten entspricht diese Eigenschaft des Phänomens der Bewegung von Wärmeströmen beim Erhitzen von Wasser.
Die Bewegung von Molekülen in entgegengesetzte Richtungen unter dem Einfluss von Erwärmung ist genau das, worauf Konvektion basiert. Strahlung und Wärmeleitfähigkeit sind ähnliche Prozesse, betreffen aber in erster Linie die Übertragung von Wärmeenergie in Festkörpern.
Anschauliche Beispiele für Konvektion - die Bewegung warmer Luft mitten in einem Raum mit HeizungGeräte, wenn sich erhitzte Ströme unter der Decke bewegen und k alte Luft bis an die Oberfläche des Bodens absinkt. Deshalb ist bei eingesch alteter Heizung die Luft oben im Raum merklich wärmer als unten im Raum.
Archimedisches Gesetz und Wärmeausdehnung physikalischer Körper
Um zu verstehen, was natürliche Konvektion ist, genügt es, den Vorgang am Beispiel des archimedischen Gesetzes und des Phänomens der Ausdehnung von Körpern unter dem Einfluss von Wärmestrahlung zu betrachten. Laut Gesetz führt also eine Temperaturerhöhung zwangsläufig zu einer Erhöhung des Flüssigkeitsvolumens. Die von unten erhitzte Flüssigkeit in den Behältern steigt höher, bzw. Feuchtigkeit mit höherer Dichte bewegt sich nach unten. Bei Erwärmung von oben bleiben mehr und weniger dichte Flüssigkeiten an ihren Stellen, in diesem Fall tritt das Phänomen nicht auf.
Die Entstehung des Begriffs
Der Begriff „Konvektion“wurde erstmals 1834 von dem englischen Wissenschaftler William Prout vorgeschlagen. Es wurde verwendet, um die Bewegung thermischer Massen in erhitzten, sich bewegenden Flüssigkeiten zu beschreiben.
Die ersten theoretischen Studien zum Phänomen der Konvektion begannen erst 1916. Bei den Versuchen wurde festgestellt, dass der Übergang von Diffusion zu Konvektion in von unten erhitzten Flüssigkeiten eintritt, wenn bestimmte kritische Temperaturwerte erreicht werden. Später wurde dieser Wert als „Roelzahl“definiert. Es wurde nach dem Forscher benannt, der es untersuchte. Die Ergebnisse der Experimente ermöglichten es, die Bewegung von Wärmeströmen unter dem Einfluss der Kräfte von Archimedes zu erklären.
Konvektionsarten
Es gibt mehrere Arten des Phänomens, das wir beschreiben - natürliche und erzwungene Konvektion. Ein Beispiel für die Bewegung heißer und k alter Luftströme in der Mitte eines Raums ist der beste Weg, um den Prozess der natürlichen Konvektion zu charakterisieren. Was forciert ist, kann beobachtet werden, wenn die Flüssigkeit mit einem Löffel, einer Pumpe oder einem Rührer gemischt wird.
Konvektion ist unmöglich, wenn Feststoffe erhitzt werden. Dies liegt an der ziemlich starken gegenseitigen Anziehung während der Vibration ihrer festen Partikel. Durch die Erwärmung von Festkörperkörpern treten Konvektion und Strahlung nicht auf. Die Wärmeleitfähigkeit ersetzt diese Phänomene in solchen Körpern und trägt zur Übertragung von Wärmeenergie bei.
Die sogenannte Kapillarkonvektion ist eine eigene Art. Der Prozess tritt auf, wenn sich die Temperatur während der Bewegung von Flüssigkeit durch die Rohre ändert. Unter natürlichen Bedingungen ist die Bedeutung einer solchen Konvektion neben natürlicher und erzwungener Konvektion äußerst unbedeutend. In der Weltraumtechnik werden jedoch Kapillarkonvektion, Strahlung und Wärmeleitfähigkeit von Materialien zu sehr bedeutenden Faktoren. Selbst schwächste Konvektionsbewegungen unter Schwerelosigkeit erschweren die Umsetzung mancher technischer Aufgaben.
Konvektion in den Schichten der Erdkruste
Konvektionsprozesse sind untrennbar mit der natürlichen Bildung gasförmiger Stoffe in der Dicke der Erdkruste verbunden. Der Globus kann als eine Kugel betrachtet werden, die aus mehreren konzentrischen Schichten besteht. Im Zentrum befindet sich ein massiver heißer Kern, eine flüssige Masse hoher Dichte, die Eisen enthält. Nickel sowie andere Metalle.
Die umgebenden Schichten des Erdkerns sind die Lithosphäre und der halbflüssige Mantel. Die oberste Schicht des Globus ist direkt die Erdkruste. Die Lithosphäre besteht aus einzelnen Platten, die sich frei bewegen und sich entlang der Oberfläche des flüssigen Mantels bewegen. Bei ungleichmäßiger Erwärmung verschiedener Teile des Mantels und Gesteins, die sich in unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte unterscheiden, bilden sich konvektive Strömungen. Unter dem Einfluss solcher Strömungen findet die natürliche Umwandlung des Meeresbodens und die Bewegung der tragenden Kontinente statt.
Unterschiede zwischen Konvektion und Wärmeleitung
Unter Wärmeleitfähigkeit versteht man die Fähigkeit physikalischer Körper, Wärme durch die Bewegung atomarer und molekularer Verbindungen zu übertragen. Metalle sind hervorragende Wärmeleiter, da ihre Moleküle in engem Kontakt miteinander stehen. Im Gegensatz dazu wirken gasförmige und flüchtige Stoffe als schlechte Wärmeleiter.
Wie entsteht Konvektion? Die Physik des Prozesses basiert auf der Übertragung von Wärme aufgrund der freien Bewegung der Masse von Stoffmolekülen. Die Wärmeleitfähigkeit wiederum besteht ausschließlich in der Übertragung von Energie zwischen den Bestandteilen eines physischen Körpers. Beide Prozesse sind jedoch ohne die Anwesenheit von Materieteilchen nicht möglich.
Beispiele für das Phänomen
Das einfachste und verständlichste Beispiel für Konvektion ist der Prozess eines gewöhnlichen Kühlschranks. Verkehrgekühltes Freongas durch die Rohre der Kühlkammer führt zu einer Abnahme der Temperatur der oberen Luftschichten. Dementsprechend sinken k alte, durch wärmere Ströme ersetzt, nach unten und kühlen so die Produkte ab.
Das Gitter an der Rückwand des Kühlschranks spielt die Rolle eines Elements, das die Entfernung der warmen Luft erleichtert, die sich im Kompressor des Geräts während der Gaskompression bildet. Auch die Netzkühlung basiert auf konvektiven Mechanismen. Aus diesem Grund ist es nicht empfehlenswert, den Raum hinter dem Kühlschrank vollzustopfen. Denn nur in diesem Fall kann problemlos gekühlt werden.
Andere Beispiele für Konvektion können durch die Beobachtung eines solchen Naturphänomens wie der Bewegung des Windes gesehen werden. Erwärmung über trockenen Kontinenten und Abkühlung über rauerem Gelände, Luftströmungen beginnen sich gegenseitig zu verschieben, wodurch sie sich bewegen, sowie Feuchtigkeit und Energie transportieren.
Die Möglichkeit, Vögel und Segelflugzeuge in die Höhe zu treiben, ist an die Konvektion gebunden. Weniger dichte und wärmere Luftmassen mit ungleichmäßiger Erwärmung in der Nähe der Erdoberfläche führen zur Bildung von aufsteigenden Strömungen, die zum Auftriebsprozess beitragen. Um die maximalen Distanzen ohne Kraft- und Energieaufwand zu überwinden, brauchen Vögel die Fähigkeit, solche Bäche zu finden.
Gute Beispiele für Konvektion sind Rauchbildung in Schornsteinen und Vulkankratern. Die Aufwärtsbewegung des Rauchs beruht auf seiner im Vergleich zu seiner Umgebung höheren Temperatur und geringeren Dichte. Wenn der Rauch abkühlt, setzt er sich allmählich in den unteren Schichten der Atmosphäre ab. Genau aus diesem GrundIndustrierohre, durch die Schadstoffe in die Atmosphäre gelangen, werden so hoch wie möglich gemacht.
Die häufigsten Beispiele für Konvektion in Natur und Technik
Unter den einfachsten, leicht verständlichen Beispielen, die in Natur, Alltag und Technik beobachtet werden können, sollten wir hervorheben:
- Luftströmung beim Betrieb von Haush altsheizbatterien;
- Bildung und Bewegung von Wolken;
- der Prozess der Bewegung von Wind, Monsun und Brisen;
- Verschiebung der tektonischen Erdplatten;
- Prozesse, die zur freien Gasbildung führen.
Kochen
Zunehmend wird das Phänomen der Konvektion in modernen Haush altsgeräten, insbesondere in Backöfen, realisiert. Der Gasschrank mit Umluft ermöglicht es Ihnen, verschiedene Gerichte gleichzeitig auf separaten Ebenen bei unterschiedlichen Temperaturen zu garen. Dadurch wird die Vermischung von Geschmäckern und Gerüchen vollständig eliminiert.
Der traditionelle Ofen benötigt einen einzigen Brenner, um die Luft zu erhitzen, was zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung führt. Durch die gezielte Bewegung heißer Luftströme mit Hilfe eines speziellen Ventilators werden Gerichte in einem Heißluftofen saftiger und besser gebacken. Solche Geräte heizen schneller auf, was die Kochzeit verkürzt.
Natürlich für Hausfrauen, die nur wenige Male im Jahr im Backofen kochen, ein Haush altsgerät mitdie Funktion der Konvektion kann nicht als Technik erster Notwendigkeit bezeichnet werden. Für diejenigen, die auf kulinarische Experimente nicht verzichten können, wird ein solches Gerät jedoch in der Küche einfach unverzichtbar.
Wir hoffen, dass das präsentierte Material für Sie nützlich war. Viel Glück!
