4.1 Konvektion

Konvektion tritt sowohl in Flüssigkeiten als auch in Gasen auf. Der Energietransport ist dabei stets an einen Massetransport gekoppelt. Ursache ist die Temperaturabhängigkeit der Dichte.

Experiment: Konvektion

Experiment: Konvektion in Schichten

Physikalischer Hintergrund

Wenn das Lämpchen glüht, gibt es Wärme ab. Das Wasser in unmittelbarer Nähe des Lämpchens erwärmt sich. Die Dichte nimmt ab, das wärmere Wasser steigt nach oben. Durch den Auftrieb bedingt, steigt das wärmere Wasser über der Lampe nach oben, während die darüberliegenden Schichten nach unten sinken. Diesen Vorgang bezeichnet man als Konvektion.

Zwischen Schichten mit größeren Dichteunterschieden findet keine Konvektion statt, wie man am Beispiel der unter Wasser geschichteten Kupfersulfatlösung sieht. Die Dichte der Kupfersulfatlösung ist wesentlich größer als die Dichte von Wasser bei 20°C, so dass auch die erwärmte Kupfersulfatlösung eine höhere Dichte aufweist und somit nicht in die darüberliegende Wasserschicht aufsteigen kann. Auf diese Weise erwärmt sich die untere Schicht (Kupfersulfatlösung) während die Temperatur der oberen Schicht (Wasser) weitgehend konstant bleibt.

Anwendung

Bedeutsam ist die Konvektion u.a. beim Wetter, bei Meeresströmungen oder der Heizung.

Ein alltägliches Beispiel für die Konvektion in der Erdatmosphäre ist der häufig zu beobachtende der Seewind am Tag. Während des Tages ist die Meeresoberfläche kälter als die Landoberfläche. Die Luft über dem Land erwärmt sich, steigt auf und kalte Meeresluft strömt nach.

Experiment: Schlieren einer Flamme

In porösen Materialien kann die Konvektion unterdrückt werden, beispielsweise bei porösen Dämmstoffen.