Beim Wärmetransport durch Konvektion fließt Wärme mit einem strömenden Stoff mit (auch Wärmeströmung genannt).
Einleitung
Eine Möglichkeit der Wärmeübertragung besteht darin, dass heiße Stoffe von einer Stelle zur anderen strömen und dabei entsprechend thermische Energie transportieren. Man spricht deshalb auch von Wärmeströmung oder Konvektion. Dieses Prinzip des Wärmetransports soll durch die nachfolgend aufgeführten Beispiele und eines einfachen Experiments näher erläutert werden.
Beispiel 1: Der Fön
Ein Wärmetransport durch Strömung, findet sich bspw. bei einem Fön wieder. Als Wärmequelle dient dabei eine Heizwendel, die die umgebende Luft erwärmt. Damit diese warme Luft nun zu den nassen Haaren gelangt, erzeugt ein Gebläse einen Luftstrom. Hierdurch strömt die Wärme von der Heizwendel zum Haar.
Beispiel 2: Die Warmwasserheizung
Ein anderes Beispiel das demselben Prinzip des Wärmetransports durch Strömung folgt, ist die Warmwasserheizung. Diese transportiert die Wärme allerdings nicht über einen Luftstrom, sondern über einen erwärmten Wasserstrom. Angetrieben wird der Wasserstrom durch eine Pumpe. Diese fördert das im Kessel erhitzte Wasser über ein Rohr zum Heizkörper (Vorlauf genannt). Meist sind dabei mehrere Heizkörper nacheinander in Reihe angeordnet. In der Abbildung unten ist der Einfachheit halber jedoch nur ein Heizkörper dargestellt. Nachdem alle Heizkörper durchströmt sind, fließt das nun abgekühlte Wasser über ein Rohr wieder zurück zum Heizkessel (Rücklauf genannt). Dort wird es wieder erwärmt und der Kreislauf beginnt von vorne.
Beispiel 3: Die Grafikkarte
Als weiteres Beispiel eines Wärmetransports durch Strömung, sei die Kühlung des Chips (GPU) einer Grafikkarte genannt. Dabei sitzt ein massiver Metallkörper mit Kühlrippen auf dem Chip. Die von vom Kühlkörper aufgenommene Wärme der GPU, muss möglichst schnell abtransportiert werden. Dies geschieht dadurch, dass ein aufgesetzter Lüfter einen Luftstrom erzeugt, der durch die Kühlrippen strömt. Der Luftstrom nimmt dabei die Wärme auf und transportiert diese dann anschließend weg.
Nicht immer ist der Lüfter jedoch aktiv. Produziert der Chip nicht sonderlich viel Wärme, z.B. wenn er keine aufwendigen Berechnungen zur Darstellung von Grafiken wie in Spielen durchführen muss, dann bleibt der Lüfter meist aus. In diesem Fall reicht der natürlich Effekt aus, dass warme Luft leichter ist als kalte. Hierdurch steigt die erwärmte Luft von selbst auf und transportiert die Wärme mit. Es ist somit kein aktiver Lüfter notwendig um eine Strömung zu erzeugen (wobei dennoch meist ein Luftstrom aufgrund der PC-Lüfter vorhanden ist).
Experiment zur Wärmeströmung
Um die oben erläuterte Art des Wärmetransports zu demonstrieren, soll ein einfacher Versuch gezeigt werden. Hierzu wird ein gebogenes Glasrohr mit Wasser gefüllt. Im unteren Bereich ist das Wasser eingefärbt. Hierdurch kann später das Strömen des Wassers besser beobachtet werden. Nun wird seitlich im Punkt A ein Bunsenbrenner angebracht, während ein Thermometer im Punkt B von oben in das Rohrsystem gesteckt wird. Wird der Bunsenbrenner nun in Betrieb genommen, so kann nach kurzer Zeit ein Temperaturanstieg beobachtet werden.
Offensichtlich wurde Wärmeenergie von der Wärmequelle A (Bunsenbrenner) zur Stelle B (Temperatursensor) transportiert und sorgte dort für eine Temperaturerhöhung. Die Wärmeübertragung erfolgte dabei mithilfe der Wasserteilchen. Diese wurden zunächst durch den Bunsenbrenner in Punkt A stark in Bewegung versetzt und sorgten dort entsprechend für eine Erhöhung der Wassertemperatur. Aufgrund der geringeren Dichte des warmen Wassers stiegen die „heißen“ Wasserteilchen zum Punkt B hinauf und sorgten für eine entsprechende Erwärmung des Thermometers. Das Aufsteigen des heißen Wassers konnte anhand der eingebrachten Einfärbung gut beobachtet werden.
Zusammenfassung und Illustration
Das Prinzip der Wärmeströmung liegt darin, dass die „heißen“ Teilchen über eine makroskopische Distanz hinweg von einer Stelle A nach B strömen. Wärme strömt in diesem Fall sozusagen mit dem Stoff mit. Im oben beschriebenen Experiment dient das Wasser als Trägermedium der Wärme oder im Falle des Föns, die Luft. Die Wärmeströmung wird in der Fachsprache auch Konvektion genannt. Das Wort Konvektion stammt von dem lateinischen Begriff convectum was soviel bedeutet wie mittragen. Dieser wörtlichen Bedeutung nach wird Wärme also mit einem Stoff mitgetragen. Die untere Animation zeigt hierzu die Veranschaulichung des Prinzips der Wärmeströmung.
Beim Wärmetransport durch Konvektion fließt Wärme mit einem strömenden Stoff mit. Konvektion tritt nur bei strömungsfähigen Stoffen auf, d.h. bei Gasen und Flüssigkeiten. Diese werden auch als Fluide bezeichnet (vom lat. fluidus für „fließen“).
Anmerkung: Der Begriff Wärmeströmung ist insofern etwas unglücklich gewählt, da auch den anderen Wärmeübertragungsmechanismen wie der Wärmeleitung oder der Wärmestrahlung ein strömen von Wärme zugrunde liegt. Tatsächlich bezieht sich der Begriff Strömung im Falle der Wärmeströmung tatsächlich nicht auf die Wärme die strömt, sondern auf das Strömen der Fluide, mithilfe deren die Wärme transportiert wird. Der Begriff Wärmeströmung darf auch insbesondere nicht mit dem Begriff Wärmestrom verwechselt werden!
Freie und erzwungene Konvektion
Der Antrieb für eine Wärmeströmung kann wie im Falle des oberen Versuches durch Dichteunterschiede zustande kommen, die auf natürliche Weise beim Erwärmen einer Flüssigkeit oder eines Gases entstehen. Aber auch die Erdanziehung kann solche natürliche Strömungsprozesse direkt hervorrufen. Man denke zum Beispiel an einen Fluss, der über einen Wasserfall in ein weiteres Gewässer strömt. Man spricht in solchen Fällen deshalb auch von natürlicher Konvektion oder freier Konvektion.
Als natürliche Konvektion oder freie Konvektion bezeichnet man den Wärmetransport durch Strömungsprozesse, die entweder direkt durch Erdanziehungskräfte oder durch Dichteunterschiede zwischen den kalten und warmen Stellen in einer Flüssigkeit oder eines Gases verursacht werden.
Das Ausbilden von natürlichen Konvektionsströmungen zeigt sich bspw. beim Erwärmen von Wasser in einem Topf. Die untere Wärmebildaufnahme zeigt in realer Geschwindigkeit das Temperaturverhalten während des Erwärmens von Wasser in einem Topf. Es wird deutlich, dass das erwärmte und damit „leichte“ Wasser von der Wärmequelle in der Mitte des Topfes aufsteigt und nach außen transportiert wird, während das kühlere und somit „schwerere“ Wasser in den Randbereichen absinkt. Das am Boden befindliche kühlere Wasser wird dann schließlich durch die Herdplatte erwärmt und steigt aufgeheizt wieder nach oben. Es kommt auf diese Weise zu einer natürlichen Durchmischung, was den Aufheizvorgang enorm beschleunigt.
Würde das Wasser nicht von unten durch die Herdplatte, sondern von oben erwärmt werden, käme es nicht im selben Maße zur Ausbildung einer Konvektionsströmung. Schließlich würde sich dann das kühlere Wasser am Boden sammeln; und dies ohne, dass sich dort eine Wärmequelle befindet. Das bereits erwärmte Wasser hingegen, würde im oberen Bereich verbleiben. Es käme nicht zu einer Durchmischung und der Aufheizprozess würde in diesem Fall nur sehr langsam erfolgen (vorwiegend durch Wärmeleitung, und Wasser ist tatsächlich ein relativ schlechter Wärmeleiter wie im verlinkten Artikel an einem Experiment verdeutlicht wird).
Kommen Wärmeströmungen hingegen nicht auf natürliche Art durch Dichteunterschiede zustande, sondern werden auf mechanische Art und Weise erzwungen, dann spricht man von erzwungener Konvektion. Das Herumrühren im oben beschriebenen Kochtopf mit einem Kochlöffel wäre dann eine solche erzwungene Konvektion. Auch der Wärmetransport eines Fön oder einer Warmwasserheizung, sind letztlich erzwungene Vorgänge. Im Falle des Föns erzwingt ein Gebläse die Wärmeströmung und im Falle der Warmwasserheizung eine Pumpe. Auch die angesprochenen Lüfter zur Kühlung von PC-Komponenten, dienen letztlich zur Erzeugung von erzwungenen Wärmeströmungen.
Werden Wärmeströmungen auf mechanische Art und Weise erzwungen (z.B. durch ein Gebläse oder einer Pumpe), dann spricht man von erzwungener Konvektion.
Wasser als Strömungsmedium
Wenn möglichst viel Wärme transportiert werden soll, dann wird sehr häufig Wasser genutzt. Dies hat gleich mehrere Gründe.
Zum einen besitzt Wasser eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität, sodass Wasser sehr viel Wärme bei relativ geringer Temperaturänderung aufnehmen kann. Umgekehrt bedeutet dies, dass Wasser auch sehr viel Wärme abgeben ohne eine allzu große Temperaturerniedrigung zu zeigen. Wasser bleibt somit beim Einsatz für Heizzwecke sehr lange warm bzw. beim Einsatz für Kühlzwecke sehr lange kalt.
Zum anderen kann Wasser im flüssigen Zustand sehr gut strömen und steht im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten nahezu kostenlos zur Verfügung. Diese Eigenschaften machen Wasser zu einem hervorragenden Medium für den Wärmetransport durch Wärmeströmung. Deshalb nutzt man Wasser auch in Heizungssystemen oder auch als Kühlmedium in Autos oder in Gaming-PCs zur Kühlung von elektronischen Komponenten.
