Artikel über die Wärmeübertragung durch Konvektion
Waren Sie schon mal an einem sonnigen Tag am Strand? An klaren Tagen weht dort immer ein Wind vom Meer. Warum weht am Strand immer Wind? Und warum gibt es tagsüber Seewind (Winde vom Meer zum Land) und nachts Landwind (Winde vom Land zum Meer)? Warum ziehen in der Regenzeit Wolken bis an die Hänge? Warum fühlt sich der Wind kühl an? Die Antworten auf diese Fragen hängen mit der spezifischen Wärmekapazität von Land und Meer, der Ausdehnung, der Dichte und dem Wärmetransport durch Konvektion zusammen!
Wenn Sie das Thema gut und richtig verstehen, können Sie die oben genannten Fragen und weitere Fragen, die Sie später stellen könnten, beantworten.
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung findet üblicherweise in Festkörpern oder von Festkörpern zu Flüssigkeiten (und umgekehrt) bzw. von Festkörpern zu Gasen (und umgekehrt) statt. Wärmeübertragung durch Konvektion hingegen findet typischerweise in Flüssigkeiten (z. B. Wasser) und Gasen (z. B. Wasser) statt. Bei der Konvektion findet Wärmeübertragung in Verbindung mit der Bewegung von Objekten statt. Um die Wärmeübertragung durch Konvektion besser zu verstehen, betrachten wir beispielsweise erhitztes Wasser durch Feuer. Wird Wasser in einem Behälter mit Feuer erhitzt, wandert Wärme durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung vom Feuer (hohe Temperatur) zum Behälter (niedrige Temperatur). Anschließend wandert Wärme durch Wärmeleitung vom Behälter (höhere Temperatur) zum Wasser in der Nähe des Behälters (niedrigere Temperatur). Die zusätzliche Wärme führt zu einem Temperaturanstieg des Wassers in der Nähe des Behälters.
Steigende Wassertemperaturen führen zur Ausdehnung des Wassers bzw. zu einer Volumenzunahme. Denn mit zunehmendem Volumen sinkt die Dichte des Wassers. Das Wasser am Boden eines Behälters ist wärmer als das Wasser darüber. Anders ausgedrückt: Das Wasser am Boden hat ein größeres Volumen und eine geringere Dichte, während das Wasser darüber ein geringeres Volumen und eine höhere Dichte aufweist. Aufgrund dieses Dichteunterschieds sinkt das Wasser an der Oberfläche des Behälters mit seiner höheren Dichte nach unten, während das Wasser am Boden mit seiner geringeren Dichte nach oben steigt. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis das gesamte Wasser im Behälter die gleiche Temperatur erreicht hat. (Bei einem Luftdruck von 1 Atmosphäre verdampft oder siedet das Wasser im Behälter bei 100 °C.) oC).
Das Auftreten von Land- und Seewinden ist mit Wärmetransport durch Wärmeleitung und Konvektion verbunden. Die spezifische Wärmekapazität des Landes ist geringer als die des Meerwassers. Daher erwärmt sich der Boden in der Sonne schneller und kühlt nachts wieder ab. Die Wärme des Landes erwärmt die darüber liegende Luft schneller (Wärmeübertragung vom Land zur Luft durch Wärmeleitung). Die Lufttemperatur steigt, und die Luft dehnt sich aus. Dadurch nimmt die Luftdichte ab. Umgekehrt ist die Temperatur des Meerwassers niedriger, sodass die Luft über dem Meeresspiegel kälter ist als die Luft über dem Land.
Die Luft an der Meeresoberfläche ist kühler und daher dichter. Dieser Dichteunterschied bewirkt, dass die Luft an der Meeresoberfläche landeinwärts strömt, während die Luft am Boden nach oben steigt. Je weiter man sich von der Erdoberfläche entfernt, desto geringer wird die Luftmenge, da die Erdanziehungskraft abnimmt. Dadurch sinkt auch der Luftdruck.
Warme Luft über Land, die aufsteigt, kühlt sich ab, da der Luftdruck mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche sinkt. Die kalte Luft strömt dann nach unten, nicht zur Landoberfläche, sondern zur Meeresoberfläche, wo die Temperaturen deutlich niedriger sind. Dieser Prozess wiederholt sich kontinuierlich und sorgt so für einen Luftstrom vom Meer zum Land. Kurz gesagt: Die Luft nahe der Meeresoberfläche sinkt zum Boden, die Luft nahe der Erdoberfläche steigt auf, und die darüber liegende Luft strömt zur Meeresoberfläche.
Warum steigt Rauch immer auf? Rauch steigt auf, weil seine Temperatur höher ist als die der umgebenden Luft. Durch die höhere Temperatur des Rauchs vergrößert sich sein Volumen und seine Dichte sinkt. Die geringere Rauchmasse erzeugt im Vergleich zum Luftdruck einen geringeren Druck. Die Luft um den Rauch drückt ihn nach oben.
Warum sinken Wolken in der Regenzeit ab? Während der Regenzeit enthalten Wolken viel Wasserdampf, wodurch ihre Dichte zunimmt. Wolken mit hohem Wasserdampfgehalt und hoher Dichte sinken zu Gebieten ab, in denen die umgebende Luft die gleiche Dichte wie die Wolken aufweist. Wenn Sie die obige Erklärung verstanden haben, können Sie viele Fragen zu diesem Thema beantworten.
