Von Gewitter bis Popcorn: Was ist Konvektion?

Einige wissenschaftliche Phänomene spielen eine bedeutende Rolle in unserem täglichen Leben, aber meistens sind wir uns ihrer Anwesenheit nicht bewusst. Nehmen Sie das Beispiel Kaffee, der für viele ein beliebtes Morgengetränk ist. Haben Sie sich jemals gefragt, was Kaffee so erfrischend macht?heiße und dampfende Dämpfe? Es ist Konvektion, der gleiche wissenschaftliche Prozess, der es Heißluftballons ermöglicht, in den Himmel zu steigen.

In der Natur findet ein Prozess der Wärme- oder Energieübertragung durch Konvektion statt. Konvektion ist die Bewegung innerhalb einer Flüssigkeit - einer Flüssigkeit oder eines Gases, die durch Temperaturunterschiede angetrieben wird. Konvektion überträgt Wärmeenergie von heißen Orten an kühlere Orte.

Was verursacht Konvektion?

Die Partikel in Flüssigkeiten und Gasen bewegen sich schneller, wenn sie erhitzt werden als wenn sie kalt sind, daher nehmen die Partikel mehr Volumen ein, da sich der Abstand zwischen den Partikeln mit der zunehmenden Bewegung vergrößert die Partikel selbst bleiben gleich groß.

Diese Erhöhung der Temperatur und des Volumens bewirkt eine Abnahme der Dichte der Flüssigkeit. Die Flüssigkeit niedrigerer Dichte steigt dann in die kühleren, dichteren Flüssigkeitsbereiche. Wenn die Flüssigkeit niedrigerer Dichte aufsteigt und abkühlt, wird sie wieder dichter, undsinkt.Auf diese Weise, Es entstehen Konvektionsströme, die Wärme von einem Ort zum anderen übertragen.

Dies ist auch der Grund warum derLofts unserer Häuser sind in der Regel wärmer als unten.

Konvektion findet in Festkörpern im Allgemeinen nicht statt, da die steifere Molekülstruktur den Partikelfluss nicht zulässt. In viskosen Flüssigkeiten, Konvektion findet statt, aber langsamer als in dünneren Flüssigkeiten.

Newtonsches Abkühlungsgesetz und Wärmeübergangskoeffizient

Bevor bekannt war, dass Konvektion zur Wärmeübertragung führt, wurde sie als eine der vielen Eigenschaften von Flüssigkeiten angesehen. Im Jahr 1701 leitete Sir Isaac Newton die Beziehung zwischen Konvektion und Wärmeübertragung durch empirische Beobachtung der konvektiven Abkühlung heißer Körper her.erpostuliert dass die Wärmeverlustrate eines Körpers direkt proportional zur Übertemperatur des Körpers gegenüber seiner Umgebung ist.

Newton führte auch den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten ein h und leitete das Gesetz der Abkühlung ab, um quantitativ den Grund zu erklären, warum Objekte in der Luft kälter werden.

Nach dem Newtonschen Abkühlungsgesetz ist die Wärmeverlustrate eines Körpers dQ/dt, woQ = Temperaturänderung ist direkt proportional zur Temperaturdifferenz ΔT = T₂ – T₁, wobei T₂ ist die Temperatur der Flüssigkeit und T₁ ist die Temperatur der Umgebung zwischen dem Objekt und seiner Umgebung.

Newton definiert den Wärmeübergangskoeffizienten h als Wärmeübertragungsrate pro Flächeneinheit pro Temperatureinheit.

h = Q/AT

Deshalb

Q = hAΔT

Hier,
Q = Wärmeübertragungsrate
h = Konvektions-Wärmeübergangskoeffizient
A = exponierte Oberfläche
ΔT = Temperaturdifferenz

Newton nahm bei seinen Experimenten die Temperatur der Umgebung als konstanten Wert an, was auch als größte Einschränkung des Newtonschen Kühlgesetzes gilt.

Konvektionsarten

Konvektion kann in zwei Kategorien eingeteilt werden, natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion. In realen Situationen kann Konvektion jedoch auch in beiden Formen gleichzeitig auftreten, was zu einer gemischten Konvektion führt.

Natürliche Konvektion

Natürliche Konvektion liegt vor, wenn die Wärmeübertragung nicht durch eine externe Quelle erzeugt wird. Stattdessen wird die Flüssigkeitsbewegung durch Auftrieb verursacht, wobei der Unterschied in der Flüssigkeitsdichte aufgrund von Temperaturgradienten auftritt.

Wolkenbildung ist ein klassisches Beispiel für natürliche Konvektion. Wenn die Sonne die Erdoberfläche erwärmt, erwärmt sich die Luft darüber und steigt auf. Wenn die Luft weiter aufsteigt, kühlt sie sich ab und es bilden sich Cumulus-Wolken. Stärkere Konvektion kann viel bewirkengrößere Wolken, die sich entwickeln, wenn die Luft höher aufsteigt, bevor sie abgekühlt wird, und manchmal Cumulonimbus-Wolken und sogar Gewitter erzeugen.

erzwungene Konvektion

Wenn die Bewegung in einer Flüssigkeit durch externe Geräte wie eine Pumpe oder einen Ventilator induziert wird, dann wird dieser Prozess als erzwungene Konvektion bezeichnet. Im Allgemeinen wird erzwungene Konvektion verwendet, wenn während eines Prozesses große Mengen an Wärmeübertragung erforderlich sind.

Erzwungene Konvektion ermöglicht es einem Flüssigkeitsstrom, einen anderen Flüssigkeitsstrom zu kühlen oder zu erhitzen, und hat daher einige der am häufigsten verwendeten Erfindungen wie Klimaanlagen, Heizungssysteme, Lüftungssysteme usw. ermöglicht.

Unterschied zwischen Konvektion, Leitung und Strahlung

Außer Konvektion, Leitung und Strahlung sind zwei weitere Arten der Wärmeübertragung, die in der Natur vorkommen. Jeder dieser Mechanismen spielt eine wichtige Rolle bei dem Energieübertragungsprozess, der in der Atmosphäre um uns herum stattfindet. Es gibt mehrere Unterschiede zwischendie drei, die die Grundlage bilden, auf der sie unterschieden werden.

1. Bei der Konvektion erfolgt die Wärmeübertragung durch Flüssigkeiten Flüssigkeit oder Gas, bei der Wärmeleitung erfolgt die Wärmeübertragung durch Festkörper und bei Strahlung, elektromagnetische Wellen Führen Sie den Prozess der Wärmeübertragung durch.
2. Der Unterschied in der Moleküldichte spielt bei der Konvektion eine Rolle, aber die Leitung wird hauptsächlich durch den Temperaturunterschied verursacht. In vielen Fällen folgt auf die Leitung die Konvektion, zum Beispiel wenn Sie Wasser kochen, wird das Wasser durch Leitung erhitzt und danndie Wassermoleküle geringer Dichte steigen durch Konvektion auf, Strahlung hingegen wird von allen Objekten emittiert, die eine Temperatur größer als 0 Kelvin haben, die Erwärmung der Erde durch die Sonne und die Erwärmung eines Raumes durch eine offene FeuerstelleKamin sind beide Beispiele für Wärmeübertragung durch Strahlung.
3. Die Wärmeübertragungsrate ist bei Strahlung am schnellsten, da sich Licht schneller ausbreitet als jede andere Energieform.am langsamsten bei Leitung, wo Wärmeübertragung zwischen Festkörpern aufgrund von molekularen Kollisionen stattfindet.
4. Leitung und Konvektion folgen nicht dem Reflexions- und Brechungsgesetz, aber die Strahlung folgt demselben.
5. Einige gängige Beispiele für Wärmeleitung beinhalten das Erwärmen der Muskeln durch ein Heizkissen, das Erhitzen von Metallgeschirr, wenn eine heiße Flüssigkeit hineingegossen wird, die Leitung von Elektrizität, die es uns ermöglicht, Fernsehen zu genießen usw.Kühlschrank ist ein Beispiel für Konvektion, während die Energie, die wir von der Sonne und von einem Röntgengerät erhalten, Beispiele für Strahlung sind.

Konvektion auf unserem Planeten

Als unser Planet zum ersten Mal entstand, bestand er aus heißem geschmolzenem Gestein mit Temperaturen von über Tausenden von Grad, und im Laufe der Jahre kühlten sie allmählich ab.US National Oceanic and Atmospheric Administration, Als der Mond entstand, könnte die Temperatur der Erde etwa 2.300 Kelvin ca. 2027 Grad Celsius betragen haben.

Die Erde hat jetzt eine kühle Oberflächentemperatur, aber sie behält immer noch Wärme vom Zeitpunkt ihrer Entstehung.Als die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren Gestalt annahm, trennten sich Eisen und Nickel schnell voneinander Felsens und mineralischs, um den Kern des neuen Planeten zu bilden. Der geschmolzen Material, das den Kern umgab, war der frühe Mantel. Über Millionen von Jahren kühlte der Mantel ab und verfestigte sich.

Obwohl es größtenteils fest ist, findet im Mantel Konvektion statt, da Wärme vom weißglühenden Kern auf die spröde Lithosphäre übertragen wird. Da der Mantel von unten erhitzt und von oben abgekühlt wird, nimmt seine Gesamttemperatur über lange Zeiträume abwie Mantelkonvektion stattfindet.

Nach einem Modell existiert ein konvektives System zwischen kalten und heißen Grenzschichten, auch thermische Grenzschichten TBLs genannt. Thermische Konvektion, die durch die großen thermischen Gradienten über die TBLs hinweg stattfindet, ist der Mechanismus für die Wärmeübertragung. Wärmeenergie bewegt sichüber die TBLs, in und aus dem Mantel durch Konvektion.

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Konvektionsströme übertragen heißes, schwimmendes Magma an Plattengrenzen und heißen Stellen in die Lithosphäre die Erdoberfläche. Konvektionsstroms übertragen durch den Prozess der Subduktion auch dichteres, kühleres Material von der Kruste in das Erdinnere. Dieser Prozess von mGegenkonvektion ist es, was dazu führt, dass sich tektonische Platten um die Erdoberfläche bewegen.

Alsoder Mantel fungiert als Methode der Wärmeübertragung innerhalb des Planeten und führt zu verschiedenen wichtigen geologischen Aktionen wie Vulkanausbrüchen, Bewegungen in den tektonischen Platten, Rifting, Erdbeben usw.

Die Theorie der Konvektion im Erdmantel wurde ursprünglich von vorgeschlagenArthur Holmes, ein britischer Geologe, der Alfred Wegeners Theorie der Kontinentalverschiebung verteidigt und weiterentwickelt hat. Holmes vorgeschlagen, dass die Mantel verschoben, weil es enthielt Konvektionszellen das verpuffte radioaktiv erhitzen und die Kruste an der Oberfläche bewegen. Er trug auch zur ozeanographischen Forschung der 1950er Jahre bei, die das Phänomen von einführteMeeresbodenspreizung.

Der Mechanismus der Mantelkonvektion führte dazu, dass die Temperatur der Erde im Laufe von Milliarden von Jahren abnahm und für verschiedene chemische Aktivitäten günstig wurde, die letztendlich zum Leben auf dem Planeten führten.

Als Warmblüter wenden wir im Alltag verschiedene Techniken an, um die äußeren Bedingungen nach unseren inneren Körperbedürfnissen zu regulieren. Konvektion hilft uns dabei in vielerlei Hinsicht, sie ermöglicht es uns, die Flüssigkeiten um uns herum kühler zu machen oderwärmer nach unserem Geschmack und es gibt zahlreiche Beispiele, die dies beweisen.

• Ein Kühlschrank arbeitet nach dem Verfahren der Konvektion. Das Kältemittelgas wird in Kupferleitungen durch das Kühl- und Gefrierfach zirkuliert.Die Leitungen und das Gas nehmen die Wärme im Kühl- und Gefrierschrank auf und das Gas zirkuliert zurück zum Kompressor. Wenn das Gas komprimiert wird, gibt es die in den Lebensmittelfächern aufgenommene Wärme an den Raum ab.
• Der Heißluft-Popper zur Herstellung von Popcorn basiert auf dem Prinzip der Konvektion. Er ist mit einem Ventilator, einem Heizelement und einer Entlüftung ausgestattet. Wenn Sie die Popcornkörner in den Popper geben und einschalten, erwärmt das HeizelementLuft, der Ventilator leitet diese dann auf das Popcorn. Wenn diese Luft mit den Kernen in Kontakt kommt, ist Ihr Lieblingssnack für die Filmzeit fertig.
• Tee, Kaffee, Suppe und viele andere Heißgetränke, die Sie zur Erfrischung oder zum Trost trinken, können nicht ohne Umluft zubereitet werden. Abgesehen davon verwenden die Umluftöfen, mit denen Sie Ihre Lieblingskekse zubereiten, ebenfalls das gleiche Prinzip derEnergieübertragung, die vom Heißluft-Popper verwendet wird.
• Heizkörper die Ihr Zuhause im Winter wärmer haltenkonvektionsstrom einrichten in Ihrem Wohnraum. Die erzeugte heiße Luft steigt auf und verdrängt die kühlere Luft, die sinkt und wiederum vom Heizkörper erwärmt wird.
• Konvektion kann auch beim Schmelzen von Eis eine Rolle spielen. Wenn warme Luft über die Eisoberfläche bläst, wird die Wärme durch Konvektion auf das Eis übertragen und das Eis beginnt zu schmelzen.

Das Prinzip der Konvektion zeigt sich auch in Heißluftballons, Regen, luftgekühlten Motoren, Meeresbrise, Landbrise, Gewitter usw. Es ist ein wichtiges Phänomen, das unsere Umwelt, unser Wetter und unseren Lebensstil beeinflusst.