1 Konvektion an einem Feststoff mit Stoffaustausch
2 Konvektion zwischen Fluiden
3 Links:

Ein über einer temperierten horizontalen Fläche stehendes Fluid (Beispiel: Luft über erwärmter Erdoberfläche, Wasser in dem Kochtopf) überströmt die Fläche in dem Normalfall nicht und bildet auch keine Grenzschicht, weil die Auftriebskräfte senkrecht zur Oberfläche stehen. Man kann auch sagen, das ganze Fluid besteht aus Grenzschicht, da sich die Temperatur nach oben bis zur Oberfläche ändert. Dies führt dazu, dass erwärmte Moleküle aufsteigen und kältere absinken. Dabei findet eine Durchmischung und gleichzeitiger Wärmeaustausch statt, bis eine stabile Temperaturschichtung erreicht wird. Mit gezielter Strömungsführung kann aber auch die Oberfläche horizontal überströmt werden und die Konvektion beschleunigt werden (Beispiel: Fußbodenheizung, Aufwindkraftwerk), was zu einer Zirkulationsströmung führt.

Überströmt das Fluid einen Feststoff oder ein Stoffgemisch mit einem niedrigeren Dampf- oder Sublimationsdruck, so führt dies zu einem Stoffaustausch, indem der Stoff, dessen Dampf- oder Sublimationsdruck überschritten wird,ins Fluid diffundiert (Beispiel: Trocknung). Dazu ist eine Temperaturdifferenz nicht unbedingt erforderlich, aber förderlich. Diese stellt sich in der Regel schon dadurch ein, dass der Stoff, der verdampft oder sublimiert, seine Verdampfungswärme seiner eigenen festen oder flüssigen Phase entzieht und diese damit abkühlt.

Natürliche Konvektion kann in diesem Fall auch dadurch entstehen, dass infolge des Stofftransports das Fluid seine Dichte verändert und damit den Auf- bzw. Abtrieb erhält, wenn die Temperaturdifferenz dazu zu klein ist.

Der Ablauf ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- von einem Stofftransport überlagert wird. Beide folgen der gleichen Gesetzmäßigkeit, die als die "Analogie zwischen Wärme- und Stoffaustausch" genannt wird. Dies drückt sich auch in der mathematischen Beschreibung aus: der Wärmetransport wird durch das Fouriersche, der Stofftransport durch das Ficksche Gesetz beschrieben (siehe Wärmeleitung, Diffusion), die formal gleich sind, sich lediglich durch die Variablen Temperatur bzw. Konzentration und die jeweiligen Übergangswiderstände unterscheiden.

Das heißt dann auch, dass sich analog zum Temperaturverlauf in dem Bild innerhalb des Fluids ein Konzentrationsverlauf mitsamt einer entsprechenden Grenzschicht einstellt.

Konvektive Vorgänge zwischen zwei Fluiden sind streng genommen stets mit einem Stoffaustausch verbunden, da eine Flüssigkeit einen endlichen Dampfdruck besitzt und somit ihre Dämpfe in eine gasförmige oder flüssige Grenzschicht diffundieren. Die Diffusion erfolgt allein durch Partialdruckdifferenzen. Sie kann überlagert werden von einer Ver- oder Durchmischung, wenn zusätzlich eine Strömumg vorliegt oder entsteht. In dem Gegensatz zu einer festen Wand ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche nicht zwingend gleich Null, so dass eine reine Wärmeleitung hier ausgeschlossen werden kann.

Ein typischer Fall ist eine Flamme, beispielsweise einer Kerze oder eines Feuerzeugs. Durch die Konvektion der aufströmenden Gase saugt sie ihre eigene Vebrennungsluft von unten an. Vom Flammenkern nach außen entsteht ein starkes Temperaturgefälle, durch das die Flammgase aufsteigen, die umgebende Luft ansaugen und nach oben "mitführen". Auch oberhalb der Flamme setzt sich dieser Effekt fort, der allerdings stark abklingt, da hier keine Wärme mehr erzeugt wird. Auf diese Weise entsteht ein natürlicher Kamin, also ohne feste Begrenzung, der Luft vertikal von unten und horizontal von allen Seiten ansaugt und vertikal nach oben fördert.

Sind beide Fluide in dem gleichen Aggregatzustand, wie bei der Flamme, so findet schon bei relativ kleinen Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen in der Grenzschicht eine Verwirbelung und daraus folgend eine Vermischung statt. Die Grenzfläche ist dann nicht mehr klar definiert und die Wärmeübertragung wird, insbesondere bei Gasen und Dämpfen, die in jedem Verhältnis miteinander mischbar oder ineinander löslich sind, von der Vermischung dominiert.

Die Verwirbelung wird gut sichtbar, wenn man eine brennende Kerze löscht. Der aufströmende Dampf des nun unverbrannten Kerzentalgs kondensiert schnell und ist als Strom feinster Tröpfchen sichtbar, die sich unmittelbar stark in dem Kontakt mit der Luft verwirbeln und letztendlich weit verteilen, wodurch sie unsichtbar werden.

Um- oder überströmt ein Gas eine Flüssigkeit, so kommt es, solange der Dampfdruck der Flüssigkeit in dem Gas unter dem Sättigungsdruck liegt, zu einer Diffusion der Flüssigkeit in die Gasphase. Auch wenn das Gas wärmer ist als die Flüssigkeit, kühlt sich die Flüssigkeit dabei ab, da ihr die Verdampfungswärme entzogen wird. Beispiel: Luft und Wasser. In diesem Fall spricht man auch von Verdunstung, weil die Gasphase nicht aus reinem Dampf der Flüssigkeit besteht.

Bei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten (z. B. Wasser und Öl) sind die Vorgänge bei kleinen Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen mit denen an einer festen Wand vergleichbar, bei höheren kann eine Tropfenbildung auftreten, die zu einer Emulgation führt. Diese wiederum führt zu einer erhöhten Wärmeübertragung infolge einer Vergrößerung der Grenzflächen an den Tropfen.== Beispiele für Konvektion ==

Die Erdatmosphäre und die Ozeane und 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.

Die Granulation der Sonnenoberfläche entsteht durch auf- und absteigende Gase in den äußeren Bereichen der Sonne. Heißeres und somit heller leuchtendes Material steigt in den Granulen auf, gibt Wärme als Strahlung ab und sinkt in den dunkleren Zonen zwischen den Granulen wieder ab. In dem Gegensatz dazu sind die Sonnenflecken und Protuberanzen ein magnetisches Phänomen.

Warmwasserheizung: luftseitig mit freier Konvektion mit Zirkulation, wasserseitig mit erzwungener Konvektion

Solarturm, Aufwindkraftwerk: Gewinnung von elektrischer Energie aus freier Konvektionsströmung

Segelflug: Flugenergie aus Aufwind an geneigten solarbeheizten Erdoberflächen (Hänge)

Kamin (Schornstein): stellt sicher, dass, solange das Feuer brennt, infolge des dadurch entstehenden Auftriebs die Verbrennungsabgase stets nach außen abgeführt werden (Kamineffekt). Der Kamin muss so dimensioniert sein, dass trotz Wärmeabgabe an die Innenwand eine ausreichende Auftriebsströmung erhalten bleibt, was durch entsprechende Höhe und lichte Weite erreicht wird.

Haartrocknung (Fön): erzwungene Konvektion mit Verdampfung (hier genauer: Verdunstung)

Wäschetrocknung (Leine): wie Haartrocknung, jedoch freie Konvektion

Kühlung von Prozessoren: zeigt die Leistungsdichte zur Abführung der Verlustleistung::

1. 8088: horizontal ausgerichtete glatte Oberfläche, freie Konvektion
2. 80486: Kühlkörper mit vertikal durchströmten Oberflächen ohne Ventilator, freie Konvektion
3. Pentium: wie 80486, jedoch mit Ventilator, erzwungene Konvektion
4. div. neuere Prozessoren oder Großrechner: Wassergekühlt statt luftgekühlt, dadurch besserer Wärmeübergang, erzwungene Konvektion
5. Zukunft (?): Kühlung durch Verdampfung/Verdunstung

• http://www.leben-begreifen.uni-bonn.de/42.html

• Foto: Beispiel für meteorologische Konvektion, an "Haufenwolken" erkennbar (http://wetterchronik.de/mm/wolken/20040531.htm)

Siehe auch: Diffusion, Aufwind, Hangwind