Konvektion

Interaktive Visualisierung der Wärmeübertragung durch Konvektion in Flüssigkeiten und Gasen

80°C
Normal

Konvektions-Simulation

Parameter

Material: Wasser

Dichte bei 20°C: 1.0 g/cm³

Viskosität: mittel

Quellentemperatur: °C

Ambienttemperatur: 20°C

Verstrichene Zeit: 0 s

Formeln

Auftriebskraft (Archimedes):

F_A = (ρ_umgebend - ρ_fluid) · g · V

Dichte-Temperatur:

ρ = ρ₀ · (1 - β · (T - T₀))

Konvektionsmechanismen

🔥 Freie Konvektion

Ursache: Dichteunterschied erzeugt Auftrieb

Mechanismus:

  • Heiße Partikel expandieren → ρ sinkt
  • Leichtere Partikel driften nach oben
  • Falschere Partikel sinken nach unten
  • Zirkulationsströmung entsteht

Beispiele: Heizgebläse, Kamine, Warmfront

🌪️ Erzwungene Konvektion

Ursache: Pumpen/Ventilatoren erzwingen Fluss

Mechanismus:

  • externe Kraft bewegt Fluid
  • Wärmeübergangskoeffizient h steigt
  • Weitere Konvektionswärmeübertragung
  • Wirksam: Klimaanlagen, Lüfter

Beispiele: Wasserpumpe, Lüfter, Blutkreislauf

📊 Materialvergleich - Auftriebskrafteinwirkung

Materialρ bei 20°Cρ bei 80°CAuftriebsfaktorKonvektionsstärke
Wasser1.00 g/cm³0.97 g/cm³Mittel (ca. 3% Dichteänderung)Mittel-Stark
Luft0.00120 g/cm³0.00100 g/cm³Mittel (ca. 17% Dichteänderung)Mittel
Öl0.90 g/cm³0.87 g/cm³Mittel (ca. 3% Dichteänderung)Mit Hemmung (Viskosität)
Glycerin1.26 g/cm³1.21 g/cm³Niedrig (ca. 4% Dichteänderung)Langsam (hohe Viskosität)

Prinzipien verstehen

  • Dichteabnahme: Bei Erwärmung: Volumen expandiert (Gay-Lussac-Gesetz), Dichte sinkt proportional
  • Auftrieb: F_A = Δρ · g · V (Archimedes: leichteres Fluid steigt)
  • Viskosität und Kondition: Höhere Viskosität → mehr Reibung → Konvektionsgeschwindigkeit büsst
  • Boussinesq-Aproximation: Temperaturabhängige Dichte wirkt nur im auftriebsbezogenen Term