Wärmeströmung

Eine Möglichkeit der Wärmeübertragung besteht darin, dass heiße Stoffe von einer Stelle zur anderen strömen und dabei entsprechend thermische Energie transportieren. Auf diese Weise funktioniert bspw. ein Fön, der über den erzeugten Luftstrom die Wärme von der im Fön befindlichen Heizwendel auf das Haar überträgt. Ein anderes Beispiel das demselben Prinzip folgt, ist die Warmwasserheizung. Diese transportiert die Wärme allerdings nicht über einen Luftstrom sondern über einen erwärmten Wasserstrom. 

Anmerkung: Strömungsfähige Medien wie Gase oder Flüssigkeiten werden auch als Fluide bezeichnet (vom lat. fluidus für „fließen").

Um die oben erläuterte Art des Wärmetransports zu demonstrieren, soll ein einfacher Versuch gezeigt werden. Hierzu wird ein gebogenes Glasrohr mit Wasser gefüllt. Im unteren Bereich ist das Wasser eingefärbt. Hierdurch kann später das Strömen des Wassers besser beobachtet werden. Nun wird seitlich im Punkt A ein Bunsenbrenner angebracht, während ein Thermometer im Punkt B von oben in das Rohrsystem gesteckt wird. Wird der Bunsenbrenner nun in Betrieb genommen, so kann nach kurzer Zeit ein Temperaturanstieg beobachtet werden.

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Animation: Wärmetransport durch Konvektion

Offensichtlich wurde Wärmeenergie von der Wärmequelle A (Bunsenbrenner) zur Stelle B (Thermometer) transportiert und sorgte dort für eine Temperaturerhöhung. Die Wärmeübertragung erfolgte dabei mithilfe der Wasserteilchen. Diese wurden zunächst durch den Bunsenbrenner in Punkt A in Schwingung versetzt und sorgten dort entsprechend für eine Erhöhung der Wassertemperatur. Aufgrund der geringeren Dichte des warmen Wassers steigen die „heißen“ Wasserteilchen zum Punkt B hinauf und sorgten für eine entsprechende Erwärmung des Thermometers. Das Aufsteigen des heißen Wassers kann anhand der eingebrachten Einfärbung gut beobachtet werden.

Das Prinzip dieser sogenannten Wärmeströmung liegt also darin, dass die „heißen“ Teilchen über eine makroskopische Distanz hinweg von einer Stelle A nach B strömen. Wärme strömt in diesem Fall sozusagen mit dem Stoff mit. In diesem Fall dient also das Wasser als Trägermedium der Wärme. Die Wärmeströmung wird in der Fachsprache auch Konvektion genannt. Hinweis: das Wort Konvektion stammt von dem lateinischen Begriff convectum was soviel bedeutet wie "mittragen". Dieser wörtlichen Bedeutung nach wird Wärme also mit einem Stoff mitgetragen.

  • Beim Wärmetransport durch Konvektion strömt Wärme mit dem Stoff mit.

Der Antrieb für eine Wärmeströmung kann wie im Falle des oberen Versuches durch Dichteunterschiede zustande kommen, die auf natürliche Weise beim Erwärmen des Fluides entstehen. Man spricht in diesem Fall von natürlicher Konvektion oder freier Konvektion (siehe hierzu auch den Exkurs: Wasser im Kochtopf). Wird die Wärmeströmung hingegen auf mechanische Art und Weise erzwungen wie dies bspw. beim Fön durch ein Gebläse oder bei Warmwasserheizungen durch eine Pumpe erfolgt, spricht man von erzwungener Konvektion.

Die untere Animation zeigt die Veranschaulichung des Prinzips der Wärmeströmung, bei der Wärme sozusagen mit einem Stoff mitgetragen wird. 

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Animation: Veranschaulichung der Wärmeströmung 

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