Was ist freie Konvektion?
Freie Konvektion, auch natürliche Konvektion genannt, ist ein Phänomen, das auftritt, wenn sich eine Flüssigkeit oder ein Gas aufgrund von Dichteänderungen im Inneren der Flüssigkeit und nicht als Reaktion auf eine externe Bewegungsquelle wie ein Gebläse oder eine Turbine bewegt. Es ist nicht überraschend, dass natürliche Konvektion in der Natur beobachtet werden kann, wo sie eine Rolle in einer Reihe von verschiedenen natürlichen Prozessen spielt, und sie kann auch in menschlich kontrollierten Umgebungen beobachtet werden, die von der Küche bis zum Chemielabor reichen. Dies unterscheidet sich von der erzwungenen Konvektion, bei der die Bewegung durch die Bewegung eines Geräts wie eines Lüfters erzwungen wird, wie dies in einem Konvektionsofen der Fall ist.
Natürliche Konvektion tritt auf, wenn Flüssigkeiten instabil werden. Ein Bereich wird wärmer als der andere, verliert an Dichte und steigt an, wodurch eine kleine Strömung entsteht. Beim Aufsteigen wird Wärme an die umgebende Kühlflüssigkeit übertragen. Strömungen und Wirbel treten auf. In einem einfachen Beispiel natürlicher Konvektion ist es möglich, die Bewegung des gefärbten Wassers zu verfolgen, bis sich die Mischung stabilisiert und die Bewegung stoppt, wenn mit Lebensmittelfarbe gefärbtes heißes Wasser in eine klare Glasschüssel mit ungefärbtem kaltem Wasser getropft wird.
Newtons Gesetz der Kühlung spielt eine entscheidende Rolle bei der freien Konvektion. Laut Newton kann die Temperaturänderungsrate innerhalb eines Fluids als proportional zur Differenz zwischen dem Fluid und der Umgebung angesehen werden. Dies beeinflusst die freie Konvektion, da sich ändernde Temperaturen zu Instabilitäten führen, die zur freien Konvektion führen. Beispielsweise werden Wettersysteme stark von der Bewegung heißer und kalter Luft beeinflusst, die durch Sonneneinstrahlung, Kontakt mit kaltem Wasser usw. beeinflusst wird.
Die Zirkulation der Weltmeere ist eine direkte Folge der freien Konvektion. Wenn sich Wasser zu den Polen bewegt, kühlt es ab, wird dichter und sinkt nach unten. In der Zwischenzeit erwärmt sich das zum Äquator fließende Wasser, wird leichter und steigt an die Oberfläche. Dies erzeugt eine Reihe komplexer Strömungen im gesamten Ozean, die eine kontinuierliche Zirkulation erzeugen und das Wasser im Ozean in ständiger Bewegung halten.
Die Konvektionstheorie erklärt auch andere natürliche Prozesse, wie die Bewegung von Flüssigkeiten unter der Erdkruste. Die Verschiebung von Flüssigkeiten unter unseren Füßen spielt eine Rolle in einer Reihe von natürlichen Prozessen, wobei sich diese Flüssigkeiten aufgrund von Temperaturänderungen innerhalb der Erde ständig bewegen. Konvektionsströme können sich auch überschneiden, wie sich aus der Wechselwirkung zwischen dem Ozean und den Wettersystemen über und in der Nähe des Ozeans ergibt, die durch Temperaturänderungen beeinflusst werden, die durch die Bewegung der Meeresströmungen verursacht werden.