Konvektion und Wärmestrahlung sind zwei Prozesse, die auf dem Gebiet der Wärmeübertragung zur Anwendung kommen.
Konvektion oder Wärmeströmung ist die Methode der Wärmeübertragung durch sich bewegende Teilchen. Bei der Wärmestrahlung werden dagegen weder Teilchen noch ein Medium zur Energieübertragung benötigt.
Beide Prozesse sind in zahlreichen Bereichen von großer Bedeutung.
Diese Konzepte finden breite Anwendung in der Wärme- und Thermodynamik, der Atmosphärenforschung, der Wetteranalyse, der Klimaanalyse, der Strömungsmechanik und sogar in den medizinischen Wissenschaften.
Es ist wichtig, diese Konzepte richtig zu verstehen, um sich in diesen Bereichen, in denen diese Konzepte stark genutzt werden, korrekt auszudrücken.
In diesem Artikel werden wir erörtern, was Konvektion und Wärmestrahlung sind, ihre Definitionen, Anwendungen von Konvektion und Wärmestrahlung, ihre Gemeinsamkeiten und schließlich den Unterschied zwischen den beiden.
Was ist Wärmestrahlung?
Wärmestrahlung, manchmal auch allgemein als Strahlung bezeichnet, ist eine Methode der Wärmeübertragung. Sie ist ein Beispiel für elektromagnetische Strahlung oder elektromagnetische Wellen.
Elektromagnetische Wellen wurde erstmals von James Clerk Maxwell vorgeschlagen. Dies wurde später von Heinrich Hertz bestätigt, dem es gelang, die erste elektromagnetische Welle zu erzeugen.
Maxwell leitete die Wellenform für elektrische und magnetische Wellen ab und sagte erfolgreich die Geschwindigkeit dieser Wellen voraus.
Da diese Wellengeschwindigkeit dem experimentellen Wert der Lichtgeschwindigkeit entsprach, schlug Maxwell auch vor, dass Licht tatsächlich eine Form von elektromagnetischen Wellen ist.
Elektromagnetische Wellen haben sowohl ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld, die senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Wellen schwingen. Alle elektromagnetischen Wellen haben im Vakuum die gleiche Geschwindigkeit.
Die Frequenz der elektromagnetischen Welle entscheidet über die in ihr gespeicherte Energie. Später wurde mit Hilfe der Quantenmechanik gezeigt, dass diese Wellen in Wirklichkeit Wellenpakete sind.
Die Energie dieses Pakets hängt von der Frequenz der Welle ab. Dies eröffnete das Feld des Welle-Teilchen-Dualismus der Materie.
Nun kann man sehen, dass elektromagnetische Strahlung als Wellen und Teilchen betrachtet werden kann. Ein Objekt, das sich in einer beliebigen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt befindet, sendet elektromagnetische Wellen jeder Wellenlänge aus.
Die Energie, also die maximale Anzahl der emittierten Photonen, hängt von der Temperatur des Körpers ab.
Was ist Konvektion?
Konvektion ist die Bezeichnung für die Massenbewegung von Flüssigkeiten. In diesem Artikel wird Konvektion jedoch in Form von Wärmekonvektion oder Wärmeströmung verstanden.
Im Gegensatz zur Konduktion kann Konvektion nicht in Festkörpern stattfinden. Konvektion ist der Prozess der Energieübertragung durch direkte Stoffübertragung.
Bei Flüssigkeiten und Gasen wird bei Erwärmung von unten zuerst die untere Schicht der Flüssigkeit erwärmt. Die erwärmte Luftschicht dehnt sich dann aus. Da sie weniger dicht ist als die kühle Luft, steigt die heiße Luftschicht in Form einer Konvektionsströmung auf.
In der nächsten Flüssigkeitsschicht findet das gleiche Phänomen statt. In der Zwischenzeit ist die erste heiße Luftschicht nun abgekühlt und sinkt ab.
Durch diesen Effekt entsteht ein Leitungskreislauf, der die von den unteren Schichten aufgenommene Wärme kontinuierlich an die oberen Schichten abgibt.
Dies ist ein sehr wichtiges Muster in Wettersystemen. Die Wärme von der Erdoberfläche wird durch diesen Mechanismus an die obere Atmosphäre abgegeben.
Was ist der Unterschied zwischen Konvektion und Wärmestrahlung?
- Damit Konvektion stattfinden kann, muss ein Medium mit beweglichen Teilchen um den erhitzten Körper herum vorhanden sein. Für Wärmestrahlung ist kein Medium erforderlich.
- Die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung ist schneller als die Wärmeübertragung durch Konvektion.
- Konvektion führt die Wärme immer von der Schwerkraft weg, während Wärmestrahlung in alle Richtungen abgestrahlt wird.