Konvektion (von lateinisch convehere ‚herbeibringen‘) oder Strömungstransport ist der Transport physikalischer Zustandsgrößen in strömenden Gasen oder Flüssigkeiten. Physikalische Zustandsgrößen sind dabei beispielsweise mitgeführte Wärme, Materie oder Impuls. Der konvektive Transport thermischer Energie ist ein Mechanismus des Wärmetransports und wird auch Wärmemitführung genannt.

Tritt infolge von Temperaturunterschieden ein statischer Auftrieb als die Ursache der Strömung auf, wird dies thermische Konvektion, natürliche Konvektion, freie Konvektion oder Wärmeströmung genannt. Außerdem kann die Strömung z. B. durch Pumpen oder Ventilatoren verursacht werden oder durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen, dies wird erzwungene Konvektion genannt.

Im angelsächsischen Sprachraum bezeichnet convection im weiteren Sinne jede Bewegung von Molekülen innerhalb eines Fluids und umfasst daher neben der reinen Advektion durch Strömung auch die Diffusion durch Bewegung auf atomarer Ebene (also innerhalb von Fluiden oder fester Materie).

Mechanismen

Mathematische Beschreibung

Die substantielle Ableitung in einem Fluid setzt sich aus der lokalen und der konvektiven Ableitung zusammen. Aufgrund der Kettenregel gilt für eine Fluideigenschaft ${\displaystyle \Phi }$:

${\displaystyle {\frac {{\text{d}}\Phi ({\vec {x}},t)}{{\text{d}}t}}=\underbrace {\frac {\partial \Phi }{\partial t}} _{\mbox{lokal}}+\underbrace {({\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }})\Phi } _{\mbox{konvektiv}}}$

In dieser Form tritt der Konvektionsterm insb. in der Konvektions-Diffusions-Gleichung auf.

Speziell ist in den Navier-Stokes- oder Eulergleichungen ${\displaystyle \Phi ={\vec {v}}}$ mit der Fluidgeschwindigkeit ${\displaystyle {\vec {v}}={\vec {v}}(x,y,z)}$. Damit lautet der Term der konvektiven Beschleunigung ${\displaystyle ({\vec {v}}\cdot {\vec {\nabla }}){\vec {v}}}$.

Übertragungs- und Austauschvorgänge

Bei der Konvektion werden physikalische Größen transportiert. Einige dieser Größen können über die Grenzschicht zu angrenzenden Körpern oder Fluiden übertragen oder mit diesen ausgetauscht (insb. die Temperatur). Diese Vorgänge sind abhängig von

• den Stoffeigenschaften, wie z. B. der Wärmeleitfähigkeit oder der Dichte,
• der Form der Körper, wie z. B. Rohr, ebene Platte oder unregelmäßige Oberflächenformen und
• der dadurch beeinflussten Strömung, die laminar oder turbulent sein kann.
• ggf. weiteren Einflüssen (z. B. Gravitation)

Mit der Konvektion können folgende Übertragungs- und Austauschvorgänge stattfinden:

• Energie und Entropie werden durch Wärmeleitung aus dem strömenden Fluid übertragen oder durch die Dissipation infolge Reibung erzeugt. Des Weiteren können Energie und Entropie auch durch Phasenübergänge und Stoffaustausch übertragen werden.
• Stoffe und elektrische Ladungen werden ausgetauscht u. a. durch Diffusion, Phasenübergang (z. B. Trocknen, Sorption, Verdampfen, Erstarren), Dissoziation, Ionisation und Reibung.

Treten chemische Reaktionen auf, werden die transportierten Größen zusätzlich beeinflusst. Es entstehen zusätzlich Entropie, Impuls und chemische Reaktionsprodukte. Des Weiteren kann die Wand als Katalysator wirken.

Einige der genannten Vorgänge, wie beispielsweise Erstarren und Verdampfen, finden meist oder nur bei gleichzeitigem Auftreten von Konvektion statt.

Weitere Beispiele

• Eine dünne Schicht eines nematischen Flüssigkristalls wird mit einem Temperaturfeld oder einem elektrischen Feld beaufschlagt. Unter geeigneten Bedingungen stellt sich eine durch das Temperaturfeld oder das elektrische Feld (elektrische Konvektion) angetriebene Konvektionströmung ein. Bei mittlerer Stärke des Feldes bilden sich Konvektionswalzen in der anisotropen Schicht, bei hoher Stärke des Feldes lösen sich die Muster durch den Übergang in turbulente Strömungen auf.
• Bei der Züchtung von Einkristallen aus Metalllegierungen kann das gewünschte gleichmäßige Kristallwachstum beim Erstarren der Schmelze durch konvektive Vorgänge gestört, aber auch bewusst beeinflusst werden. Diese Vorgänge sind neben der natürlichen Konvektion (thermisch und infolge von Konzentrationsunterschieden) auch die Marangoni-Konvektion (Schmelze fließt in Richtung hoher Oberflächenspannung) und bei induktiver Heizung oder anderen bewegten Magnetfeldern auch eine elektromagnetische Konvektion.

Literatur

• Michael Jischa: Konvektiver Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch. Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden 1982, ISBN 3-528-08144-9. 
• Ulrich Kilian, Christine Weber [Red.]: Lexikon der Physik in sechs Bänden. Band 3. Spektrum, Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 3-86025-293-3. 

Weblinks

Einzelnachweise

1. ↑ Konvektion. In: Duden online. Abgerufen am 11. Juni 2019. 
2. ↑ Skript M. Fraaß, Beuth Hochschule
3. ↑ Ingo Rehberg: Musterbildung in hydrodynamischen Systemen. (PDF, 3,28 MB) 1994, abgerufen am 6. Januar 2015 (25. Ferienkurs des IFF Jülich: Komplexe Systeme zwischen Atom und Festkörper). 
4. ↑ Holger Bitterlich: Züchtung und physikalische Eigenschaften von Seltenerd-Übergangsmetall-Einkristallen. Dissertation, Technische Universität Dresden. 2000, abgerufen am 6. Januar 2015.