Was ist Konvektionsstrom – Definition

Konvektionsströme

Die Bewegung, die sich aus dem kontinuierlichen Ersetzen des erwärmten Fluids in der Nähe der Wärmequelle durch das kühlere Fluid in der Nähe ergibt, wird als  natürlicher Konvektionsstrom bezeichnet , und der durch diesen natürlichen Konvektionsstrom  verstärkte Massen- und Wärmeübergang  wird als  natürliche Konvektionsmasse und Wärmeübertragung .

Konvektionsströme  werden durch Dichteunterschiede in der Flüssigkeit erzeugt, die aufgrund von Temperaturgradienten auftreten. Konvektionsströme sind mit  natürlicher Konvektion verbunden , bei der jede Flüssigkeitsbewegung durch natürliche Mittel wie Auftrieb erfolgt. In der natürlichen Konvektion werden Materie und Wärme von einem Ort zum anderen transportiert. Konvektionsströme  haben aufgrund ihrer Präsenz sowohl in der Natur als auch in technischen Anwendungen große Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen.

In der Natur sind Konvektionsströme aus Luft, die sich über sonnengewärmtem Land oder Wasser erhebt, ein Hauptmerkmal aller Wettersysteme. Konvektionsströme treten auch in der aufsteigenden heißen Luft aus Feuer, Plattentektonik und ozeanischer Zirkulation auf.

Erzeugung von Konvektionsströmen

Die Erzeugung von Konvektionsströmen  basiert auf drei physikalischen Annahmen:

• Vorhandensein einer Wärmequelle . Wärmequelle ist erforderlich, da  Konvektionsströme  durch Dichteunterschiede im Fluid aufgrund von Temperaturgradienten erzeugt werden. Bei der natürlichen Konvektion nimmt die eine Wärmequelle umgebende Flüssigkeit Wärme auf und wird durch Wärmeausdehnung weniger dicht und steigt an. Die Wärmeausdehnung des Fluids spielt eine entscheidende Rolle. Mit anderen Worten fallen schwerere (dichtere) Komponenten, während leichtere (weniger dichte) Komponenten ansteigen, was zu einer Bewegung der Flüssigkeitsmenge führt.
• Vorhandensein einer ordnungsgemäßen Beschleunigung. Natürliche Konvektion kann nur in einem Gravitationsfeld oder bei Vorhandensein einer anderen geeigneten Beschleunigung wie Beschleunigung, Zentrifugalkraft und Coriolis-Kraft auftreten. 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 wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht, in der eine Flüssigkeit von zwei großen horizontalen Platten unterschiedlicher Temperatur (T _{oben upper}  T _unten ) eingeschlossen wird.
  • 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 sinkt und erwärmt sich dabei, während die leichtere Flüssigkeit steigt und sich bei Bewegung abkühlt.
  • Im  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 Fluidzirkulation. Die Wärmeübertragung erfolgt ausschließlich über Wärmeleitung.

Konvektionsströme – Atmosphärische Zirkulation

Eines der Phänomene, die für das Erdklima von höchster Bedeutung sind, ist die atmosphärische Zirkulation , dh die großflächige Bewegung der Luft, und ein Mittel, mit dem Wärmeenergie (zusammen mit der Ozeanzirkulation) auf der Erdoberfläche verteilt wird . Die atmosphärische Zirkulation der Erde variiert von Jahr zu Jahr, aber die großräumige Struktur ihrer Zirkulation bleibt ziemlich konstant.

Die atmosphärische Zirkulation ist eine Folge der Beleuchtung der Erde durch die Sonne und der Gesetze der Thermodynamik . Die atmosphärische Zirkulation kann als Wärmekraftmaschine angesehen werden, die von der Sonnenenergie angetrieben wird und deren Energiesenke letztendlich die Schwärze des Weltraums ist. Unter diesem Gesichtspunkt werden auch Windkraftanlagen von der Sonne angetrieben.

Konvektionsströme – Wärmesäule

Ein weiterer wichtiger Konvektionsstrom , der in der Atmosphäre gebildet wird, ist eine Wärmesäule . Die Wärmesäule ist eine Säule aufsteigender Luft in den tieferen Lagen der Erdatmosphäre, eine Form des atmosphärischen Aufwinds. Wärmesäulen entstehen durch ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche durch Sonnenstrahlung und sind ein Beispiel für atmosphärische natürliche Konvektion.

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 und kühlt aufgrund ihrer Ausdehnung im niedrigeren Druck in höheren Lagen. 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 .