Wärmeströmung (Konvektion)
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Grundlagen zum Thema Wärmeströmung (Konvektion)
Wärmeströmung Konvektion – Physik
Hast du dich schon einmal gefragt, warum die Gardinen über der Heizung im Winter zu flattern beginnen, auch wenn die Fenster geschlossen sind? Das hat etwas damit zu tun, dass sich über der Heizung Wärmeströmungen ausbilden. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden anschauen.
Wärmeströmung Konvektion– Definition
Eine Wärmeströmung, manchmal auch als Konvektion bezeichnet, ist die Übertragung von Wärme durch den Transport von Teilchen.
Wir können die Funktionsweise der Wärmeströmung am besten verstehen, wenn wir uns ein Beispiel anschauen.
Wärmeströmung Konvektion – einfach erklärt
Wir betrachten eine Kerze, die in einem luftgefüllten Raum steht. Die Flamme der Kerze erhitzt die Luft in ihrer Umgebung, wodurch deren Dichte abnimmt. Aufgrund ihrer geringeren Dichte steigt die erwärmte Luft nach oben. Das liegt genau genommen daran, dass sie nach dem archimedischen Prinzip eine Auftriebskraft erfährt. Die nachströmende Luft verdrängt wiederum Teile der aufgestiegenen Luft, wodurch sich die erwärmte Luft in der oberen Raumhälfte verteilt. Dabei gibt sie Wärme an die Umgebung ab und kühlt dabei immer mehr aus, bis sie so weit abgekühlt ist und ihre Dichte so weit zugenommen hat, dass sie wieder nach unten sinkt. Die unteren Luftschichten strömen wiederum zur Kerze, wo sie erhitzt werden und nach oben steigen – so entsteht ein Kreislauf.
Die Wärme wird also dadurch übertragen, dass warme Luft strömt und die Wärme mitführt. Deswegen spricht man im Zusammenhang mit der Wärmeströmung auch von der Wärmemitführung.
Wärmetransport durch Wärmeströmungen tritt daher auch nur in Gasen und Flüssigkeiten auf, in denen die Teilchen frei beweglich sind.
Wärmeströmung Konvektion – Beispiele Alltag
Wärmeströmungen kannst du in vielen Bereichen wiederfinden. Im Alltag sorgen Wärmeströmungen beispielsweise dafür, dass sich dein Zimmer im Winter gleichmäßig erwärmt – die Strömungen transportieren die Wärme von der Heizung in andere Bereiche des Zimmers. Deswegen flattert die Gardine über der Heizung auch, denn die Wärmeströmung kannst du auch als Luftzug betrachten.
Aber auch in der Natur gibt es Wärmeströmungen. Diese sind sogar besonders wichtig, weil sie Wetter und Klima beeinflussen. Ein besonders bekanntes Beispiel sind große Meeresströmungen wie der Golfstrom. Diese funktionieren ganz ähnlich wie unser Beispiel, denn auch Wasser hat je nach Temperatur unterschiedliche Dichten.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Wärmeströmung Konvektion
Transkript Wärmeströmung (Konvektion)
Hallo und herzlich willkommen. Dieses Video heißt “Wärmeströmung (Konvektion)”. Du kennst bereits Wärme, Energieumwandler, thermische Energie. Nachher kannst du erklären, was Wärmeströmung, Konvektion ist. Und du kannst Beispiele dafür beschreiben. 1. Der Schreck beim Baden. Es ist ein heißer Sommertag. Anton badet in einem Badesee. “Ach, ist das schön. Erfrischend und nicht zu kalt. Huch, was ist denn das? Da hat wohl jemand kaltes Wasser in den See gegossen?” “Nein, du bist in eine kalte Strömung gekommen. Blöde Strömung.” - “Ach, weißt du, auch wenn sie kalt war, das war eine Wärmeströmung. Man nennt sie auch Konvektion.” - “Das klingt interessant, erzähl mir mehr darüber.” - “Gern.” 2. Thermische Energie und Wärme. Was ist das? Ich habe mir hier einen riesengroßen Tee gebrüht. Er steht hier an der Luft. Der Tee ist wärmer als die Luft. Der Tee gibt Wärme an die Luft ab. Die Fähigkeit eines Körpers, Wärme an die kältere Umgebung abzugeben, nennt man thermische Energie. Man verwendet dafür das Symbol Etherm. Nehmen wir an, wir haben einen warmen Körper. Um ihn herum ist die Umgebung. Die Umgebung soll kalt sein. Dann wird Wärme vom Körper auf die Umgebung übertragen. Daran erkennt man, dass der Körper über thermische Energie verfügt. 3. Wärmequellen als Energiewandler. Ihr merkt schon, wir wiederholen ein wenig. Die Rotlichtlampe ist eine Wärmequelle und ein Energiewandler. Probiere einmal Anton. Es ist schön warm. Elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt. Und außerdem entsteht noch Licht. Auch die Sonne ist eine Wärmequelle. Sie wandelt Nuklearenergie in Wärme um. Und auch die Erde ist eine Wärmequelle. Sie Wandelt Lichtenergie der Sonne in Wärme um. Ein letztes Beispiel. Ein Wärmekraftwerk. Hier wird chemische Energie in Wärme umgewandelt. 4. Wärmeübertragung durch Wärmeströmung. Man sagt auch Konvektion. Durch die Kerze wird Luft erwärmt. Die warme Luft steigt nun nach oben. Ihre Dichte ist nämlich relativ klein. Auf dem Weg nach oben kühlt sich die Luft ein wenig ab. Es kommt zu Wärmeübertragung von wärmerer zu kühlerer Luft. Die kalte Luft nun, geht wieder nach unten. Denn ihre Dichte ist relativ groß. Unten angekommen kommt es zu Wärmeübertragung von der Kerze zu Luft und so weiter. Der Prozess beginnt von neuem. In Flüssigkeiten und Gasen kann die Wärme durch Wärmeströmung, Konvektion, übertragen werden. Thermische Energie wird mit dem strömenden Gas oder der strömenden Flüssigkeit mitgeführt. 5. Wir heizen. Das ist unser Zimmer. Und das ist die Heizung. Die Heizung erwärmt die Luft und die Luft wird leichter, die Dichte nimmt ab. Nun steigt die Luft nach oben. Richtig Anton, die warme Luft hält sich oben aber nicht lange. Die Luft bewegt sich noch etwas oben im Raum. Genau. Sie gibt Wärme an die kältere Umgebung ab und wird dadurch selber kalt. Ihre Dichte nimmt zu, sie wird schwerer und sie sinkt zum Boden herab. Die kalte Luft bewegt sich nun zur Heizung. Das stimmt Anton. Das geschieht, weil von der Heizung selbst warme Luft weggeführt wird. Oben im Zimmer findet ein Wärmeaustausch statt, zwischen warmer und kalter Luft. Zwischen der warmen Heizung und der kalten Luft findet ebenfalls ein Wärmeaustausch statt. 6. Meeresströmungen. In den Weltozeanen gibt es verschiedene Meeresströmungen. Die für uns Europäer wichtigste Meeresströmung ist der Golfstrom. Der Golfstrom ist eine Meeresströmung von Amerika nach Europa. In Europa ist es relativ kalt. Das kalte Wasser sinkt nach unten. Richtig Anton. Denn seine Dichte ist ziemlich groß. Dadurch kommt es zu einem Sog zwischen Europa und Amerika. Am Anfang des Golfstroms ist es warm. Das warme Wasser gelangt über den Sog nach Europa. Außerdem wird es von Amerika weggedrückt. Denn seine Dichte wird kleiner, es dehnt sich aus. Das kalte bewegt sich nach Amerika. Dabei findet eine allmähliche Erwärmung statt, die Bewegung kommt auch durch einen Sog zustande, denn das warme Wasser bewegt sich von Amerika nach Europa. Ihr merkt schon, damit das funktioniert, muss es wie im Ozean ganz tiefes Wasser geben. 7. Kühltürme. Kühltürme haben in der Industrie eine große Bedeutung. Zum großen Teil werden sie in Kraftwerken verwendet. Ihre Funktion ist die Ableitung von Wärme. Und so ungefähr sieht ein Kühlturm dort aus. Er hat die Gestalt eines verjüngten Hohlzylinders. Er steht in der einen Meter Höhe, über dem Boden, auf Stützpfeilern. Unterhalb des Turmes ist ein Becken mit Kühlwasser. In geeignetem Abstand darüber sind Verteilerrohre angebracht. An diesen befinden sich Düsen. Aus den Düsen wird heißes Wasser in das Wasserbecken gesprüht. Dabei kommt es zu einer Erwärmung der Luft über dem Wasserbecken. Die Luft dehnt sich aus und steigt zusammen mit Wasserdampf im Kühlturm nach oben. Es kommt zu einem Sog. An den Rändern des Kühlturms wird nun unten Kaltluft angesaugt. Das nennt man Kamineffekt. Am Inneren des Kühlturms befinden sich sogenannte Tropfenabscheider. Ein Teil des Wassersdampfes kondensiert und fließt zurück in den Turm. Man nennt das Verrieselung. Der übrige Teil des Wasserdampfes verlässt den Turm und bildet Wolken. Als Regen gelangt das Wasser auf die Erde zurück. Das war ein weiterer Film von Andre Otto. Auch vielen Dank an Anton. Tschüss. Ich wünsche euch alles gut und viel Erfolg. Tschüss.
Wärmeströmung (Konvektion) Übung
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Definiere die Begriffe thermische Energie und Wärmeströmung.
TippsGibt ein Körper Wärme ab, so besitzt er thermische Energie.
Bei der Wärmeströmung ist die Übertragung von thermischer Energie an einen Materiestrom gekoppelt.
LösungDie Definition der thermischen Energie lautet:
Die Fähigkeit eines Körpers, Wärme an die kältere Energie abzugeben, nennt man thermische Energie.
Ein Körper, der Wärme abgibt, besitzt demnach thermische Energie. Diese Energie ist in einem Körper in Form von Bewegungsenergie der Teilchen gespeichert, aus denen er zusammengesetzt ist. Je höher die Temperatur eines Körpers, desto stärker bewegen sich die Teilchen in seinem Innern und desto größer ist auch die thermische Energie, die er besitzt.
Unter Wärmestrahlung (Konvektion) versteht man:
In Flüssigkeiten und Gasen kann die Wärme durch Wärmeströmung (Konvektion) übertragen werden.
Dabei wird thermische Energie mit den strömenden Gasen oder Flüssigkeiten mitgeführt. Wärmeströmung beschreibt also die Form von Wärmeübertragung, die an Materie gebunden ist: Ein Gas oder eine Flüssigkeit bewegt sich aufgrund von temperaturbedingten Dichteunterschieden. Daher kann Konvektion auch nicht in Festkörpern auftreten.
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Gib an, woher die folgenden Wärmequellen ihre Energie beziehen.
TippsWelchen (meist unerwünschten) Effekt erzeugen bewegte Ladungsträger?
Welche Prozesse laufen im Kern der Sonne ab?
Wohin gelangt die Strahlungsenergie der Sonne durch das Vakuum?
Durch Verbrennung welcher Materialien wird in Wärmekraftwerken Energie freigesetzt?
LösungIn einer Rotlichtlampe befindet sich eine stromdurchflossene Wendel. Die elektrische Energie der Spannungsquelle sorgt für einen Strom von Ladungsträgern, die einerseits Licht und andererseits Wärme abgeben.
Die Energiequelle der Sonne sind die Fusionsprozesse, die in ihrem Kern ablaufen. Durch die Verschmelzung von Wasserstoff- zu Heliumatomen wird Strahlungsenergie frei. Daher ist die Energiequelle der Sonne Nuklearenergie.
Die Strahlungs- oder Lichtenergie der Sonne erreicht durch das Weltall hindurch auch die Erde. Dort erwärmt sie die gesamte Erdoberfläche.
In Wärmekraftwerken werden häufig fossile Brennstoffe wie Kohle und Gas zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt. Dafür werden in einem ersten Schritt zum Beispiel durch die Verbrennung von Kohle, in der chemische Energie gespeichert ist, Gase erwärmt, die dann wiederum Turbinen antreiben.
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Erkläre, wie das Zimmer durch den Kamin erwärmt wird.
TippsWo findet überall ein Wärmeaustausch statt?
Wie hängt die Dichte der Luft von ihrer Temperatur ab?
LösungDas Beispiel mit dem Zimmer, das von einem Kaminfeuer erwärmt wird, ist vergleichbar mit den Vorgängen an einem Heizkörper.
Zwischen Kaminfeuer und der umgebenden Luft findet eine Wärmeaustausch statt. Die warme Luft besitzt eine geringere Dichte und steigt nach oben in Richtung Zimmerdecke.
Dort bewegt sich die warme Luft an der Zimmerdecke entlang und gibt dabei Wärme an die Umgebung (wie die Zimmerdecke selbst) ab. Der Wärmeaustausch zwischen Luft und Decke bewirkt, dass sich die Luft abkühlt, ihre Dichte zunimmt und sie beginnt, Richtung Fußboden zu sinken.
Auf dem Fußboden wird die kalte Luft vom Kamin angezogen. Da die warme Luft um den Kamin nach oben steigt, entsteht ein leichter Sog, der neue, kalte Luft, zum Kamin bringt. Dort beginnt der Kreislauf von vorne.
Mit der Zeit erwärmt sich so durch die Konvektion der Luft der gesamte Raum. Es wird kuschelig warm. Das freut sicher nicht nur die Katze.
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Erkläre, wie sich das Wasser im Becherglas durch den Bunsenbrenner erwärmt.
TippsAn welcher Stelle wird dem Becherglas Wärme zugeführt?
Wie verhält sich erwärmtes Wasser?
Welche Wärmeströmung bildet sich aus?
LösungDas Becherglas wird an der rechten Seite des Bodens erwärmt. Dort wird zunächst dem Glas und dann dem Wasser Wärme zugeführt.
Das warme Wasser besitzt eine geringere Dichte als kaltes Wasser. Deshalb steigt es nach oben. An der Oberfläche gibt es Wärme an die Umgebung ab, aber hauptsächlich an das kühlere Umgebungswasser.
Das abgekühlte Wasser sinkt wegen seiner höheren Dichte wieder Richtung Glasboden. Durch einen Sog bewegt es sich wieder auf die Stelle mit der Flamme zu. Eine kreisförmige Konvektion bildet sich aus.
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Gib an, bei welchen natürlichen und technischen Anwendungen Wärmeströmung eine wichtige Rolle spielt.
TippsWelche Effekte/ Anwendungen zeichnen sich durch einen Materiestrom aus, mit dem thermische Energie transportiert wird?
LösungBei den technischen Anwendungen des Heizens und der Kühltürme ist Wärmeströmung das grundlegende Funktionsprinzip. Beim Heizen wird erwärmte Luft zum Verteilen von thermischer Energie in Räumen genutzt. Beim Kühlen wie in Kühltürmen hingegen dient sie dem Abtransport überschüssiger thermischer Energie.
Meeresströmungen sind ein natürliches Phänomen. Auch diese funktionieren nach dem Prinzip der Wärmeströmung. Hier transportieren Wassermassen die thermische Energie durch die Meere.
Bei Solarzellen und der Photosynthese wird eine andere Form des Energietransportes, die Strahlung der Sonne, genutzt. Die Strahlungsenergie durchquert das Vakuum des Weltalls (hier sind selbstverständlich keine Materieströme möglich). Dann wird sie in elektrische (Solarzellen) oder chemische (Photosynthese) Energie umgewandelt.
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Begründe die Einsatzmöglichkeiten einer Thermoskanne.
TippsEine Thermoskanne ist ein (fast) abgeschlossenes System.
LösungAufgrund ihrer hohen Isolation ist eine Thermoskanne aus thermodynamischer Sicht ein (fast) abgeschlossenes System (siehe Abbildung). Eine verschlossene Thermoskanne gibt weder Materie ab noch nimmt sie welche auf. Ebenso verhält es sich mit ihrer Energie. Die Energie im Inneren bleibt fast vollständig erhalten.
Dies bedeutet in Bezug auf die kalte Flüssigkeit, dass auch diese ihre geringe thermische Energie über einen längeren Zeitraum beibehält. Nicht nur eine Abgabe von Wärme nach außen wird durch die Isolation (hier im Speziellen die Wärmedämmung) verhindert, sondern umgekehrt auch die Aufnahme von Wärme aus der Umgebung der Thermoskanne.
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Ich fand das Viedeo gut erklärt aber die Stimme klang wegen der geringen Sprechgeschwidigkeit etwas langweilig.
Ich kamm damit nicht so klar
und hab es jetzt immer noch nicht richtig gescheckt
ich fand das mit der Anton geschichte relativ gut verständlich
nervige art zu erklären
Ich habe Konvektionen noch nicht so verstanden aber sonst gutes Video