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Konvektionszellen - eine Erklärung aus der Physik

Konvektionszellen treten in vielen Bereichen der Physik auf, und zwar dann, wenn durch Temperaturunterschiede eine Strömung in einer Flüssigkeit oder in einem Gas auftritt. Aber warum bildet sich eine Zelle?

Eine Wärmeströmung bildet sich aus.
Eine Wärmeströmung bildet sich aus.

Konvektion - eine Wärmeströmung in Fluiden

Eine Konvektionsströmung entsteht, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas (das gemeinsame Wort für beide ist "Fluid", also etwas Fließendes) an einer Stelle erwärmt wird, sich dort ausdehnt und dadurch in kältere und dichtere Bereiche der Flüssigkeit vordringt.

  • Der einfachste Fall ist, dass man das Fluid (Wasser ist hier eine gute Vorstellung) in einem Behälter beispielsweise von unten erwärmt, dieses sich dann ausdehnt und nach oben steigt.
  • Das im Behälter oben befindliche, kühlere und damit dichtere Wasser sinkt dann um die Aufstiegsstelle herum ab - es wird schlicht und einfach verdrängt.
  • Den Begriff "Konvektion" könnte man vereinfacht mit "Mitführung" übersetzen, denn hierbei wird Wärme durch einen materiellen Träger, das Fluid, an eine andere Stelle übertragen.
  • Ist in einem Fluid ein Temperaturungleichgewicht vorhanden, tritt Konvektion von selbst ein - die Natur hat einen Hang zum Ausgleich.

So entstehen Konvektionszellen

Führt man einer Flüssigkeit oder einem Gas kontinuierlich Wärme an einer Stelle zu, beispielsweise indem man einen Kochtopf, in dem sich Wasser befindet, von unten erhitzt, dann kommt es zu einer fortlaufenden Zirkulation: Erwärmtes Wasser steigt auf, kühlere Wassermassen sinken ab. 

  • Beides kann jedoch nicht am gleichen Ort und gleichzeitig geschehen.
  • Kleinste Störungen in der Flüssigkeit sorgen dafür, dass sich an einigen Stellen regelrechte Kamine bilden, in denen die Flüssigkeit aufsteigt. Seitlich davon sinkt sie ab.
  • Dabei bilden sich Walzen oder Strömungszellen, die sich aneinander lagern: Die Flüssigkeit teilt sich - geeignete Randbedingungen vorausgesetzt - in Konvektionszellen auf.
  • In jeder der sich bildenden Zellen zirkuliert die Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf.
  • Das Muster der Konvektionszellen hängt natürlich stark von der Größe und der Gestalt des Behälters ab. Zunächst bildet sich ein Mosaik aus Vielecken, das dann in ein regelmäßiges Muster übergeht. Die meisten der Zellen haben dann sechs Seiten.
  • Rührt man die Flüssigkeit um, bildet sich das Muster der Konvektionszellen erneut aus, allerdings kann die Zellenbildung an ganz anderen Stellen stattgefunden haben.

Übrigens: Nicht nur in Kochtöpfen und Kaffeetassen bilden sich derartige Konvektionszellen aus. Auch auf der Sonne lassen sich Zellen heißer Materie (Granulation genannt) beobachten. Und im Erdmantel findet man Konvektionszellen mit flüssigem Gestein.

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