Konvektionsströme – Thermische Säule
Ein weiterer wichtiger Konvektionsstrom , der sich in der Atmosphäre bildet, ist eine thermische Säule . Die thermische Säule ist eine Säule aus aufsteigender Luft in den tieferen Lagen der Erdatmosphäre, eine Form des atmosphärischen Aufwinds. Thermische Säulen entstehen durch die ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche durch Sonneneinstrahlung und sind ein Beispiel für die natürliche Konvektion der Atmosphäre.
Die Sonne erwärmt den Boden, was wiederum die Luft direkt darüber erwärmt. Die wärmere Luft, die näher an der Oberfläche liegt, dehnt sich aus und wird weniger dicht als die Umgebungsluft. Die leichtere Luft steigt auf und kühlt aufgrund ihrer Ausdehnung im unteren Druck in höheren Lagen ab. Es hört auf zu steigen, wenn es auf die gleiche Temperatur wie die Umgebungsluft abgekühlt ist. Dunkle Erde, städtische Gebiete und Straßen sind gute Quellen für Wärmesäulen .
Erzeugung von Konvektionsströmen
Die Erzeugung von Konvektionsströmen basiert auf drei physikalischen Annahmen:
- Vorhandensein einer Wärmequelle . Eine Wärmequelle ist erforderlich, da Konvektionsströme durch Dichteunterschiede in der Flüssigkeit erzeugt werden, die aufgrund von Temperaturgradienten auftreten. Bei der natürlichen Konvektion erhält die eine Wärmequelle umgebende Flüssigkeit Wärme und wird durch Wärmeausdehnung weniger dicht und steigt auf. Die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit spielt eine entscheidende Rolle. Mit anderen Worten, schwerere (dichtere) Komponenten fallen, während leichtere (weniger dichte) Komponenten ansteigen, was zu einer Bewegung der Flüssigkeitsmenge führt.
- Vorhandensein einer angemessenen Beschleunigung. Natürliche Konvektion kann nur in einem Gravitationsfeld oder in Gegenwart einer anderen geeigneten Beschleunigung auftreten, wie z. B. Beschleunigung, Zentrifugalkraft und Coriolis-Kraft. Natürliche Konvektion funktioniert im Wesentlichen nicht in der Erdumlaufbahn. Beispielsweise sind in der umlaufenden Internationalen Raumstation andere Wärmeübertragungsmechanismen erforderlich, um eine Überhitzung elektronischer Komponenten zu verhindern.
- Richtige Geometrie . Das Vorhandensein und die Größe der natürlichen Konvektion hängen auch von der Geometrie des Problems ab. Das Vorhandensein eines Fluiddichtegradienten in einem Gravitationsfeld gewährleistet nicht die Existenz natürlicher Konvektionsströme. Dieses Problem ist in der folgenden Abbildung dargestellt, in der eine Flüssigkeit von zwei großen horizontalen Platten unterschiedlicher Temperatur (T oben ≠ T unten ) umschlossen ist .
- Im Fall A ist die Temperatur der unteren Platte höher als die Temperatur der oberen Platte. In diesem Fall nimmt die Dichte in Richtung der Gravitationskraft ab. Diese Geometrie induziert die Flüssigkeitszirkulation und die Wärmeübertragung erfolgt über die natürliche Zirkulation . Die schwerere Flüssigkeit steigt ab und wird dabei erwärmt, während die leichtere Flüssigkeit aufsteigt und sich abkühlt, wenn sie sich bewegt.
- In Fall B ist die Temperatur der unteren Platte niedriger als die Temperatur der oberen Platte. In diesem Fall nimmt die Dichte in Richtung der Gravitationskraft zu. Diese Geometrie führt zu stabilen Bedingungen, einem stabilen Temperaturgradienten und induziert keine Flüssigkeitszirkulation. Die Wärmeübertragung erfolgt ausschließlich über Wärmeleitung.
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