Physik · Klasse 6–7 · aktualisiert
Konvektion: Wärme durch Strömung verstehen
Erkenne Wärme, die mit strömender Luft oder Wasser reist, und unterscheide freie von erzwungener Konvektion.
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Kurz gesagt
Konvektion ist die Übertragung thermischer Energie durch strömende Flüssigkeiten oder Gase. Warme Luft kann durch Auftrieb steigen; ein Ventilator kann eine Strömung erzwingen.
Bei der Konvektion transportiert strömende Luft oder strömendes Wasser thermische Energie. Die bewegte Flüssigkeit oder das bewegte Gas nimmt Energie auf, führt sie mit und gibt sie anderswo ab. Du lernst freie und erzwungene Konvektion kennen und grenzt sie von Leitung und Strahlung ab.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Luft und Wasser können strömen. Flüssigkeiten und Gase nennt man zusammen Fluide. Wenn sie strömen, nehmen sie Energie mit. Dabei müssen nicht dieselben Teilchen einen ganzen Kreislauf durchlaufen.
Bei freier Konvektion bewegt keine Pumpe und kein Ventilator das Fluid. Erwärmte Luft oder erwärmtes Wasser dehnt sich oft aus. Ein gleich großer Bereich enthält dann weniger Masse: Seine Dichte ist kleiner. Durch die Schwerkraft kann der wärmere Bereich steigen. Kühleres, dichteres Fluid sinkt nach. Dazu müssen Erwärmung, Dichteunterschied und Anordnung zusammenpassen.
Definition
Konvektion
Konvektion, auch Wärmeströmung oder Wärmemitführung, ist die Übertragung thermischer Energie durch ein strömendes Fluid. Sie ist immer mit der Bewegung von Materie verbunden.
Beispiel
- 1Ein Föhn erwärmt Luft und bläst sie zu deinen Haaren.
- 2Die strömende Luft führt thermische Energie mit und gibt einen Teil davon an Haare und Wassertröpfchen ab.
- 3Das ist Konvektion.
Merke: Ohne strömende Flüssigkeit oder strömendes Gas gibt es keine Konvektion.
Teste dich
Bei erzwungener Konvektion setzt eine äußere Einrichtung das Fluid in Bewegung. Eine Pumpe bewegt Wasser, ein Lüfter oder Gebläse bewegt Luft. Auch Umrühren treibt eine Flüssigkeit an und verteilt Energie im Gefäß.
Freie und erzwungene Konvektion können zugleich auftreten. Bei laufendem Lüfter überwiegt häufig die mechanisch erzeugte Strömung.
Beispiel
- 1In einer Warmwasserheizung bewegt eine Umwälzpumpe das erwärmte Wasser durch Rohre zu den Heizkörpern.
- 2Das Wasser führt thermische Energie mit.
- 3Ohne die Pumpe wäre die vorgesehene Strömung deutlich schwächer oder käme in dieser Form nicht zustande.
Merke: Frage nach dem Antrieb der Strömung: Dichteunterschied und Auftrieb bedeuten freie Konvektion; Pumpe, Lüfter oder Rühren bedeuten erzwungene Konvektion.
Teste dich
Bei einem Vorgang können mehrere Arten der Wärmeübertragung zusammenwirken. Frage bei jedem Teilvorgang, ob ein Stoff leitet, ein Fluid strömt oder Strahlung übertragen wird.
Materietransport bedeutet bei Konvektion, dass das Fluid strömt. Das ist nicht dasselbe wie Stoffaustausch zwischen zwei Medien: Strömende Luft kann einer festen Wand Energie abgeben, ohne sich mit der Wand zu vermischen. Treffen zwei Fluide aufeinander und vermischen sich, können Energie und Stoffe ausgetauscht werden.
| Wärmeübertragung | Entscheidender Mechanismus | Ist ein Stoff nötig? | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Konvektion | Ein Fluid strömt und führt Energie mit. | Ja, eine Flüssigkeit oder ein Gas | Warme Luft steigt über einem Heizkörper auf. |
| Wärmeleitung | Energie wird innerhalb eines Stoffes oder an einer Berührungsfläche weitergegeben. | Ja | Ein Metalllöffel im warmen Tee wird am Griff warm. |
| Wärmestrahlung | Strahlung wie Sonnenlicht transportiert Energie. | Nein | Sonnenenergie gelangt durch das Weltall zur Erde. |
Beispiel
- 1An einer heißen Herdplatte wird die angrenzende Luftschicht zunächst durch Wärmeleitung erwärmt.
- 2Anschließend steigt die erwärmte Luft auf und transportiert Energie durch Konvektion weiter.
- 3Die beiden Mechanismen wirken nacheinander zusammen.
Teste dich
Kühlt Luft an einem schlecht gedämmten Fenster ab, sinkt sie häufig nach unten. Ein Heizkörper darunter erwärmt die Luft wieder; sie steigt auf. Diese Strömung entsteht hauptsächlich durch Dichteunterschiede und Auftrieb.
Ordne neue Fälle mit drei Fragen zu: Strömt eine Flüssigkeit oder ein Gas? Führt die Strömung Energie mit? Entsteht sie durch Auftrieb oder einen äußeren Antrieb? Bei einem Lüfter am Prozessor ist der Antrieb mechanisch; über einer sonnengewärmten Fläche steigt Luft durch Auftrieb. In einem ruhenden Metallstab wird Energie ohne mitführende Strömung geleitet.
Beispiel
- 1Am Fenster kühlt Luft ab, wird dichter und sinkt.
- 2Der Heizkörper erwärmt die Luft unter dem Fenster; die wärmere Luft steigt.
- 3Dichteunterschied und Auftrieb treiben diese freie Konvektion an. So breitet sich weniger kühle Luft über den Boden aus.
Beispiel: Nutze bei einem neuen Beispiel diese drei Fragen
- 1Bewegt sich eine Flüssigkeit oder ein Gas?
- 2Transportiert diese Strömung thermische Energie?
- 3Entsteht die Strömung durch Auftrieb oder durch einen äußeren Antrieb?
Teste dich
Alles auf einen Blick
Konvektion
Grundprinzip
Strömendes Fluid führt thermische Energie mit; Materie bewegt sich
Freie Konvektion
Erwärmung verändert die Dichte; Aufsteigen und Absinken erzeugen eine Strömung
Erzwungene Konvektion
Pumpe, Lüfter, Gebläse oder Rühren treiben die Strömung an
Abgrenzung
Wärmeleitung benötigt keine mitführende Strömung; Wärmestrahlung benötigt keinen Stoff
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Wasser im Topf zuordnen
- 1Der Topfboden erwärmt zunächst Wasser bei üblicher Raumtemperatur an der Kontaktfläche durch Wärmeleitung.
- 2Dieses Wasser kann bei passender Anordnung weniger dicht werden und durch die Schwerkraft aufsteigen.
- 3Kühleres Wasser sinkt zum Boden nach. Die Strömung führt Energie durch den Topf: Das ist freie Konvektion.
Fehler finden
Strömung in einer Schüssel erkennen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Die dritte Zeile verwechselt Strömung mit mechanischem Antrieb. Ohne Pumpe entsteht hier bei passender Anordnung freie Konvektion durch Dichteunterschiede und Auftrieb.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Konvektion braucht ein Fluid. Bei freier Konvektion treibt die Strömung an. Bei erzwungener Konvektion kann das Fluid bewegen.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback