KONVEKTION: EIGENSCHAFTEN, BEISPIELE, ANWENDUNGEN - KÖRPERLICH - 2025

Die Konvektion ist einer der drei Mechanismen, mit denen Wärme von einer Zone zu einem anderen wärmeren Kühler übertragen wird. Es findet aufgrund der Bewegung der Masse eines Fluids statt, das eine Flüssigkeit oder ein Gas sein kann. In jedem Fall ist immer ein materielles Medium erforderlich, damit dieser Mechanismus stattfindet.

Je schneller sich das betreffende Fluid bewegt, desto schneller wird Wärmeenergie zwischen Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen. Dies geschieht kontinuierlich mit atmosphärischen Luftmassen: Der Auftrieb sorgt dafür, dass die wärmeren und weniger dichten aufsteigen, während die kälteren und dichteren abfallen.

Abbildung 1. Ein Raum wird durch Öffnen der Tür gekühlt, da die heiße Luft (roter Pfeil) und weniger dicht aufsteigt und aus ihr entweicht. Quelle: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Ein Beispiel hierfür ist der geschlossene Raum im Bild, der sofort gekühlt wird, sobald die Türen oder Fenster geöffnet werden, da die heiße Luft von innen sogar durch die Risse entweicht und der Frischluft von außen Platz macht, die mehr bleibt Nieder.

Arten der Konvektion

Natürliche und erzwungene Konvektion

Abbildung 2. Beispiele für erzwungene Konvektion und natürliche Konvektion. Quelle: Cengel, Y. Thermodynamics.

Konvektion kann natürlich oder erzwungen sein. Im ersten Fall bewegt sich die Flüssigkeit von selbst, wie beim Öffnen der Tür zum Raum, während sie im zweiten Fall beispielsweise von einem Ventilator oder einer Pumpe angetrieben wird.

Diffusion und Advektion

Es kann auch zwei Varianten geben: Diffusion und Advektion. Bei der Diffusion bewegen sich die Moleküle der Flüssigkeit mehr oder weniger zufällig und die Wärmeübertragung ist langsam.

Im Gegensatz dazu bewegt die Advektion eine gute Menge an Fluidmasse, was beispielsweise durch Erzwingen der Konvektion mit einem Ventilator erreicht werden kann. Der Vorteil der Advektion ist jedoch, dass sie viel schneller als die Diffusion ist.

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Ein einfaches mathematisches Modell der konvektiven Wärmeübertragung ist das Newtonsche Gesetz der Kühlung. Stellen Sie sich eine heiße Oberfläche des Bereichs A vor, die von kühlerer Luft umgeben ist, sodass der Temperaturunterschied gering ist.

Nennen wir die übertragene Wärme Q und die Zeit t. Die Geschwindigkeit, mit der Wärme übertragen wird, ist dQ / dt oder wird aus der Funktion Q (t) in Bezug auf die Zeit abgeleitet.

Da Wärme Wärmeenergie ist, sind ihre Einheiten im internationalen System Joule (J), daher wird die Übertragungsrate in Joule / Sekunde angegeben, die Watt oder Watt (W) sind.

Diese Rate ist direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Objekt und dem Medium, bezeichnet als ΔT, und auch zur Oberfläche A des Objekts:

Die Proportionalitätskonstante heißt h, was der Wärmeübergangskoeffizient durch Konvektion ist und experimentell bestimmt wird. Seine Einheiten im Internationalen System (SI) sind W / m ² . K, aber es ist üblich, es in Grad Celsius oder Celsius zu finden.

Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Koeffizient keine Fluideigenschaft ist, da er von verschiedenen Variablen abhängt, wie z. B. der Geometrie der Oberfläche, der Geschwindigkeit des Fluids und anderen Eigenschaften.

Das mathematisch Newtonsche Gesetz der Abkühlung kombiniert all das oben Genannte und hat folgende Form:

Anwendung des Newtonschen Kühlgesetzes

Eine Person steht mitten in einem Raum von 20 ° C, durch den eine leichte Brise weht. Wie hoch ist die Wärmegeschwindigkeit, die die Person durch Konvektion an die Umwelt überträgt? Angenommen, die exponierte Oberfläche beträgt 1,6 m ² und die Oberflächentemperatur der Haut beträgt 29 ºC.

Fakt ist : Der Konvektionswärmeübergangskoeffizient beträgt in diesem Fall 6 W / m ² . ºC

Lösung

Die Person kann Wärme an die Luft um sie herum übertragen, da sie sich bewegt, wenn die Brise weht. Um die Übertragungsrate dQ / dt zu ermitteln, geben Sie die Werte einfach in die Newtonsche Gleichung für die Kühlung ein:

dQ / dt = 6 W / m ² . ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20ºC) = 86,4 W.

Beispiele für Konvektion

Wärmen Sie Ihre Hände über einem Lagerfeuer

Es ist üblich, die Hände zu wärmen, indem Sie sie in die Nähe eines Lagerfeuers oder eines heißen Toasters bringen, da sich die Luft um die Wärmequelle erwärmt und ausdehnt und steigt, weil sie weniger dicht ist. Während der Zirkulation umhüllt und wärmt diese heiße Luft Ihre Hände.

Abbildung 3. Eine Möglichkeit zum Erwärmen der Hände ist der durch das Feuer in der Luft erzeugte Konvektionsstrom. Quelle: Pxfuel.

Luftstrom an der Küste

An der Küste ist das Meer kälter als das Land, daher erwärmt sich die Luft über dem Land und steigt auf, während die kältere Luft ankommt und sich in dem Raum niederlässt, den dieser andere beim Aufstieg hinterlässt.

Dies wird als Konvektionszelle bezeichnet und ist der Grund, warum es sich kühler anfühlt, wenn Sie auf das Meer schauen und die Brise an einem heißen Tag gegen Ihr Gesicht weht. Nachts passiert das Gegenteil, die kühle Brise kommt vom Land.

Der Wasserkreislauf

Natürliche Konvektion findet in der Luft der ozeanischen Küsten durch den Wasserkreislauf statt, in dem Wasser dank Sonneneinstrahlung erwärmt und verdampft wird. Der so gebildete Wasserdampf steigt auf, kühlt ab und kondensiert zu Wolken, deren Massen durch Konvektion zunehmen und aufsteigen.

Wenn die Größe der Wassertröpfchen zunimmt, fällt das Wasser je nach Temperatur in Form von festem oder flüssigem Regen.

Wasser in einem Behälter kochen

Wenn das Wasser in den Wasserkocher oder Topf gegeben wird, werden die Schichten, die dem Boden am nächsten liegen, zuerst erhitzt, da die Flamme oder Wärme vom Brenner am nächsten ist. Dann dehnt sich das Wasser aus und seine Dichte nimmt ab, daher steigt es an und das kältere Wasser nimmt seinen Platz am Boden des Behälters ein.

Abbildung 4. Warmwasserbereitung durch Konvektion. Quelle: Wikimedia Commons. Benutzer: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

Auf diese Weise zirkulieren alle Schichten schnell und der gesamte Wasserkörper erwärmt sich. Dies ist ein gutes Beispiel für Advektion.

Winderzeugung

Die Konvektion in Luftmassen erzeugt zusammen mit der Rotationsbewegung der Erde Winde, wenn sich kalte Luft unter heißer Luft bewegt und zirkuliert, wodurch verschiedene Ströme erzeugt werden, die als Konvektionsströme bezeichnet werden.

Meeresströmungen

Wasser verhält sich ähnlich wie Luft in der Atmosphäre. Wärmeres Wasser befindet sich fast immer in der Nähe der Oberfläche, während kühleres Wasser tiefer liegt.

Dynamoeffekt

Es kommt im geschmolzenen Kern des Planeten vor, wo es sich mit der Rotationsbewegung der Erde verbindet und elektrische Ströme erzeugt, die das Erdmagnetfeld erzeugen.

Energieübertragung innerhalb der Sterne

Sterne wie die Sonne sind riesige Gaskugeln. Die Konvektion ist dort ein effizienter Energietransportmechanismus, da gasförmige Moleküle ausreichend Freiheit haben, sich zwischen Bereichen des Inneren von Sternen zu bewegen.

Anwendungen der Konvektion

Klimaanlagen

Die Klimaanlage befindet sich in der Nähe der Raumdecke, so dass die gekühlte Luft, die dichter ist, abfällt und schnell näher am Boden abkühlt.

Wärmetauscher

Es ist eine Vorrichtung, die die Übertragung von Wärme von einem Fluid auf ein anderes ermöglicht und beispielsweise das Funktionsprinzip von Klimaanlagen und Kühlmechanismen des Kraftfahrzeugmotors ist.

Wärmeisolatoren in Gebäuden

Sie werden hergestellt, indem Isolierfolien kombiniert und Luftblasen hinzugefügt werden.

Kühltürme

Sie werden auch Kühltürme genannt und dienen dazu, die von Kernkraftwerken, Ölraffinerien und anderen verschiedenen Industrieanlagen erzeugte Wärme an die Luft anstatt an den Boden oder an das Wasser abzugeben.

Verweise

1. Giambattista, A. 2010. Physik. 2 .. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Leitung, Konvektion und Strahlung. Wiederhergestellt von: eltamiz.com.
3. Natahenao. Wärmeanwendungen. Wiederhergestellt von: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Physik für Wissenschaft und Technik. Band 1. 7 .. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipedia. Konvektion. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Konvektionsthermik. Wiederhergestellt von: fr.wikipedia.org.