Was ist natürliche Konvektion?

Natürliche Konvektion ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der nichtmenschliche Kräfte die Kühlung und Erwärmung von Flüssigkeiten wie Gasen und Flüssigkeiten beeinflussen. Die Wärmeübertragung erzeugt einen Kreislauf, der als Konvektionsstrom bezeichnet wird und bei dem eine warme Flüssigkeit durch eine kühlere Flüssigkeit ersetzt wird. Alle Flüssigkeiten und Stoffe bestehen aus winzigen Bausteinen, den Atomen, die sich zu Molekülen zusammenschließen. Durch die Bewegung dieser Moleküle steigen oder fallen Flüssigkeiten.

Natürliche Konvektion hilft, viele natürliche Systeme der Erde zu erklären, wie z. B. Meeresströmungen und die atmosphärischen Schichten. Dies steht im Gegensatz zur erzwungenen Konvektion, die nach dem gleichen Prinzip arbeitet, aber über eine Wärmequelle verfügt, die von künstlichen Geräten wie Luft- oder Wassergebläsen erzeugt wird, die den Wärmeübertragungszyklus beschleunigen. Sowohl Zwangskonvektion als auch natürliche Konvektion können für bestimmte Zwecke eingesetzt werden, z. B. zum Heizen von Häusern oder für die kommunale Wasserversorgung.

Bei Einwirkung einer Wärmequelle wie Sonne oder Untergrundwärme steigen häufig Flüssigkeiten auf. Wenn zum Beispiel die Sonne die Erdoberfläche erwärmt, ist die Luft am Boden fast immer wärmer als die Luft, die sich höher am Himmel befindet. Wärme erweitert die Zwischenräume zwischen Molekülen, wodurch die Luft leichter wird und über die Oberfläche steigt. Wenn die Luft weiter vom heißen Boden aufsteigt, kühlen sich die Moleküle ab und verdichten sich. Diese kühlere und schwerere Luft wird dann durch die Schwerkraft nach unten gezogen, wo sie sich wieder erwärmt und den Zyklus erneut startet.

Meeresströmungen entstehen auch aufgrund natürlicher Konvektion, verbunden mit Änderungen des Windes und der Dichte des Salzwassers. Kalter Wind, der über die Wasseroberfläche weht, bewirkt, dass sich die Moleküle zusammendrücken und zum Meeresboden sinken. Wenn sich das Wasser dem Äquator nähert, erwärmt es sich und steigt wieder an. Dies erzeugt massive Meeresströmungen, die entlang der kontinentalen Küsten fließen und das Wetter in den umliegenden Landregionen beeinflussen.

Typischerweise ist das Newtonsche Gesetz der Kühlung ein wichtiger Bestandteil der natürlichen Konvektion. Dieses wissenschaftliche Gesetz besagt, dass die Geschwindigkeit, mit der eine Substanz Wärme verliert, in direktem Zusammenhang mit der Temperatur des darauf einwirkenden Objekts steht. Mit anderen Worten, je kälter das Objekt ist, desto mehr Wärme verliert die Flüssigkeit. Ein Beispiel für dieses Gesetz ist die Wirkung des Hinzufügens von Eiswürfeln zu einem Getränk - ein Würfel nimmt nur einen kleinen Teil der Wärme auf, aber eine Handvoll kühlt das Getränk viel schneller.