Wärmeströmung (Konvektion)

Wärmeströmung (Konvektion) Übung

• Definiere die Begriffe thermische Energie und Wärmeströmung.

  Tipps

  Gibt ein Körper Wärme ab, so besitzt er thermische Energie.

  Bei der Wärmeströmung ist die Übertragung von thermischer Energie an einen Materiestrom gekoppelt.

  Lösung

  Die 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.

• Gib an, woher die folgenden Wärmequellen ihre Energie beziehen.

  Tipps

  Welchen (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?

  Lösung

  In 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.

• Erkläre, wie das Zimmer durch den Kamin erwärmt wird.

  Tipps

  Wo findet überall ein Wärmeaustausch statt?

  Wie hängt die Dichte der Luft von ihrer Temperatur ab?

  Lösung

  Das 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.

• Erkläre, wie sich das Wasser im Becherglas durch den Bunsenbrenner erwärmt.

  Tipps

  An welcher Stelle wird dem Becherglas Wärme zugeführt?

  Wie verhält sich erwärmtes Wasser?

  Welche Wärmeströmung bildet sich aus?

  Lösung

  Das 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.

• Gib an, bei welchen natürlichen und technischen Anwendungen Wärmeströmung eine wichtige Rolle spielt.

  Tipps

  Welche Effekte/ Anwendungen zeichnen sich durch einen Materiestrom aus, mit dem thermische Energie transportiert wird?

  Lösung

  Bei 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.

• Begründe die Einsatzmöglichkeiten einer Thermoskanne.

  Tipps

  Eine Thermoskanne ist ein (fast) abgeschlossenes System.

  Lösung

  Aufgrund 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.