Konduktion und Konvektion sind zwei Phänomene, die in der Wärme- und Thermodynamik vorkommen. Diese beiden Konzepte sind sehr wichtig, wenn es um das Verständnis der Wärmeübertragung geht.
Wärmestrahlung bildet zusammen mit Konduktion, also Wärmeleitung, und Konvektion, also Wärmeströmung, die drei Formen der Wärmeübertragung.
Bereiche wie Thermodynamik, Wärmekraftmaschinen, künstliche Wettersysteme, Meteorologie und sogar unsere Physiologie hängen von den Prinzipien der Konduktion und Konvektion ab.
Ein gutes Verständnis von Wärmeleitung und Wärmeströmung sowie von Wärmestrahlung ist unerlässlich, um ein gutes Verständnis für diese Bereiche zu haben.
In diesem Artikel werden wir erörtern, was Konduktion und Konvektion sind und den Grund für Wärmeleitung und Wärmeströmung betrachten.
Außerdem sprechen wir über ihre Gemeinsamkeiten, die täglichen Vorfälle, die wir aufgrund von Wärmeleitung und Wärmeströmung beobachten können und schließlich ihre Unterschiede.
Was ist Konduktion?
Unter Konduktion oder Wärmeleitung versteht man die Übertragung von Wärmeenergie zwischen Bereichen von Materie aufgrund eines Temperaturgefälles.
Konduktion kann in jedem Material stattfinden, aber in der Praxis wird Konduktion nur bei Festkörpern angewendet.
Wenn Festkörper erwärmt werden, vibrieren die Atome und Moleküle im Inneren des Festkörpers aufgrund der kinetischen Energie, die sie durch die Erwärmung erhalten haben.
Die Zusammenstöße dieser vibrierenden Atome mit den benachbarten Atomen bewirken, dass die benachbarten Atome ebenfalls vibrieren, so dass die Vibrationen auf das andere Ende des Festkörpers übertragen werden.
Die Atome an der Oberfläche des Festkörpers geben die Energie der Schwingungen an den freien Raum ab.
Bei einem gleichförmigen Stab im stationären Zustand, bei dem die Seiten isoliert sind und nur die beiden Enden freiliegen, ist die Wärmestromrate direkt proportional zur Fläche der Wärmeabsorption und zum Temperaturgefälle.
Der stationäre Zustand ist gegeben, wenn zwischen allen Punkten ein thermisches Gleichgewicht herrscht, d. h. die Temperatur eines Punktes ändert sich nicht mit der Zeit.
Bei Gasen und Flüssigkeiten findet ebenfalls Wärmeleitung statt, allerdings in Form von direkten Molekülkollisionen. Sie schwingen nicht wie Festkörper.
Was ist Konvektion?
Konvektion ist der Fachausdruck für die Massenbewegungen von Flüssigkeiten. In diesem Artikel wird Konvektion jedoch in Form von Wärmeströmung verstanden.
Im Gegensatz zur Wärmeleitung kann Wärmeströmung nicht in Festkörpern stattfinden.
Konvektion ist der Prozess der Energieübertragung durch direkte Stoffübertragung. In Flüssigkeiten und Gasen wird bei Erwärmung von unten die untere Schicht der Flüssigkeit erwärmt.
Die erwärmte Luftschicht dehnt sich dann aus, da sie weniger dicht ist als die kühle Luft. Die heiße Luftschicht steigt 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 nach unten. 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 Konduktion und Konvektion?
- Konduktion findet in allen Medien statt, während Konvektion in Festkörpern nicht möglich ist.
- Bei der Konvektion fließt die Materie in großen Mengen, während bei der Konduktion die Materie um einen festen Punkt schwingt.
- In einem geschlossenen System ist ein Wärmeverlust durch Konvektion nicht möglich, wohl aber ein Wärmeverlust durch Konduktion.