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{{QS-Physik|Unerledigt=2015|Konvektion}}
[[Datei:ConvectionCells.svg|mini|Konvektionszellen in einem von unten beheizten Gefäß]]
'''Konvektion''' (von {{laS|''convehere''}} ‚herbeibringen‘<ref>{{Internetquelle |url=https://www.duden.de/node/82550/revision/82586#herkunft |titel=Konvektion |abruf=2019-06-11| werk=Duden online}}</ref>) oder '''Strömungstransport''' ist der Transport physikalischer Größen in [[Strömungsmechanik|strömenden]] [[Fluid|Gasen oder Flüssigkeiten]]. Physikalische Größen sind dabei beispielsweise mitgeführte [[thermische Energie|Wärme]], [[Materie]] oder [[Impuls]].
Der konvektive Transport thermischer Energie ist ein Mechanismus des [[Wärmetransport]]s und wird auch [[Konvektion (Wärmeübertragung)|Wärmemitführung]] genannt.

Tritt infolge von Temperaturunterschieden ein [[statischer Auftrieb]] als die Ursache der Strömung auf, wird dies ''thermische Konvektion, [[natürliche Konvektion]], freie Konvektion'' oder ''Wärmeströmung'' genannt.
Außerdem kann die Strömung z. B. durch Pumpen oder Ventilatoren verursacht werden oder durch thermodynamische Ungleichgewichte entstehen, dies wird [[erzwungene Konvektion]] genannt.

In [[Geowissenschaften]] wird die Konvektion von der [[Advektion]] unterschieden, wobei die Konvektion die vertikale Strömung bezeichnet, die Advektion dagegen den horizontalen Anteil.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.duden.de/rechtschreibung/Advektion |titel=Advektion ▶ Rechtschreibung, Bedeutung, Definition, Herkunft {{!}} Duden |sprache=de |abruf=2025-08-20}}</ref>

== Mechanismen ==
=== Statischer Auftrieb ===
{{Hauptartikel|Natürliche Konvektion|Konvektion (Ozeanographie)|titel2=Ozeanische Konvektion}}

Unterschiede in der Dichte im Fluid führen im [[Schwerefeld]] zu [[Statischer Auftrieb|statischem Auftrieb]]. Die Dichteunterschiede können durch eine Temperaturdifferenz oder unterschiedliche [[Konzentration (Chemie)|Stoffdichten]] verursacht werden. Die so angetriebene Bewegung heißt natürliche oder freie Konvektion.

Werden die Dichteunterschiede durch unterschiedliche [[Konzentration (Chemie)|Stoffdichten]] hervorgerufen, wird dies [[Chemie|chemische]] Konvektion, bei Lösungen auch solutale Konvektion, bei Salzlösungen auch [[Salzwasser|haline]] Konvektion oder in Verbindung mit thermischer Konvektion auch [[thermohalin]]e Konvektion genannt. Kommen die Dichteunterschiede durch eine Ansammlung von Mikroorganismen an der Oberfläche der Flüssigkeit zustande, spricht man von [[Biokonvektion]].

'''Beispiele'''

In einem Topf auf dem Herd wird Wasser erhitzt. Am Boden wird geheizt, die Seitenwände sind isoliert und an der Oberfläche kühlt das Wasser durch Verdunstung bzw. die Außentemperatur ab. Durch die Erwärmung steigt Wasser mit geringerer Dichte auf, oben gekühltes Wasser sinkt ab. Es bilden sich Konvektionszellen, wie oben im Bild schematisch dargestellt. Eine solche Anordnung heißt [[Rayleigh-Bénard-Konvektion]].

In der Meteorologie hängen zahlreiche Phänomene mit der natürlichen Konvektion zusammen:
* Bei [[Thermik]] wird Luft am Boden erwärmt und steigt auf.
* Durch aufsteigende feuchte Luft kann es zu [[Wolke#Übersicht|Wolken]]bildung (insb. [[Kumulus]] und [[Kumulonimbus]]) und [[Gewitter]]n kommen.

=== Äußere mechanische Einwirkung ===
[[Datei:Centrifugal fan static.png|mini|Radialventilator]]
{{Hauptartikel|Erzwungene Konvektion}}

Wenn die Strömung durch Kräfte außerhalb des Fluids angetrieben wird, spricht man von erzwungener Konvektion. Diese tritt zum Beispiel bei [[Pumpe]]n oder [[Ventilator]]en auf.

Bestehen bei der erzwungenen Konvektion Temperatur- und damit Dichteunterschiede, so wirken zusätzlich die gleichen Kräfte wie bei der freien Konvektion. Die [[Archimedes-Zahl#Andere Definition|Archimedes-Zahl]] kennzeichnet dann das Verhältnis von freier zu erzwungener Konvektion.

'''Beispiel'''

Eine [[Umwälzpumpe]] transportiert warmes Wasser von der Heizungsanlage zu den Heizkörpern.

=== Magnetohydrodynamik ===
Als weitere treibende Kräfte können [[Magnetisches Feld|magnetische]] und [[elektrisches Feld|elektrische Felder]] wirken. Mathematisch formuliert wird dies in der [[Magnetohydrodynamik]].

'''Beispiele'''
* Das [[Erdmagnetfeld]] wird durch den [[Dynamoeffekt]] erzeugt.
* Die Struktur der [[Korona (Sonne)|Korona]] der Sonne, insbesondere [[Sonnenflecken]] werden mit der MHD erklärt.

=== Oberflächenspannung (Marangoni-Konvektion) {{Anker|Marangoni-Konvektion}} ===

[[Datei:Wine legs shadow.jpg|mini|hochkant|Der Marangoni-Effekt verursacht die Weintränen, die hier im Schatten des Weinglases gut zu erkennen sind.]]
Als [[Carlo Marangoni|Marangoni]]-Konvektion bezeichnet man eine Strömung, die durch den Gradienten der [[Grenzflächenspannung]] entsteht. Ursache für die unterschiedliche Grenzflächenspannung können z. B. ein Temperaturgefälle oder Konzentrationsgefälle gelöster Stoffe entlang der Grenzfläche sein. Das Fluid strömt dabei entlang der Grenzfläche in Richtung der größeren Spannung. Als Kennzahl zur Charakterisierung der Marangoni-Konvektion eignet sich die [[Marangoni-Zahl]], welche sich als das Verhältnis von Grenzflächenspannung zur Viskosität verstehen lässt.

'''Beispiele'''

Beobachten lässt sich die Marangoni-Konvektion, wenn kleine Rußpartikel im flüssigen Wachs einer Kerze schwimmen. In der Nähe der Flamme ist die Oberfläche des flüssigen Wachses heißer als weiter außen am Rand der Kerze. Da im Allgemeinen die Grenzflächenspannung mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Grenzflächenspannung dicht an der Flamme geringer als am Rand der Kerze. Dadurch wird die Oberfläche nach außen gerissen und nimmt oberflächennahes Wachs mit, das dadurch zu einer Kreisbewegung angetrieben wird. Diese wird durch die Rußpartikel sichtbar.

Ein weiteres bekanntes Beispiel sind die sogenannten Weintränen. Aufgrund der [[Adhäsion]] kriecht ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Glasoberfläche hoch. Da Alkohol schneller verdunstet als Wasser, wird nach oben hin die Alkoholkonzentration geringer und dadurch die [[Oberflächenspannung]] größer, weitere Flüssigkeit strömt nach, bis die Schwerkraft überwiegt. Herablaufende Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung zieht sich beim Durchqueren der Zone mit geringer Oberflächenspannung zu schmalen Rinnsalen zusammen.

Der Marangoni-Effekt spielt eine maßgebliche Rolle bei der Stabilisierung von flüssigen [[Schaum|Schäumen]]. Hierbei bewirkt der durch eine Störung der Schaumfilmoberfläche induzierte Gradient der Oberflächenspannung einen die Störung heilenden, konvektiven Strom der interlamellaren Flüssigkeit.

Auch ist der Marangoni-Effekt wichtig für Prozesse bei der Metallverarbeitung mit hohen Temperaturgradienten, wie bei der [[Czochralski-Verfahren|Halbleiterherstellung]] oder beim Schweißen.

== Mathematische Beschreibung ==
Die [[substantielle Ableitung]] in einem Fluid setzt sich aus der lokalen und der konvektiven Ableitung zusammen. Aufgrund der [[Kettenregel]] gilt für eine Fluideigenschaft <math>\Phi</math>:

: <math> \frac{\text{d}\Phi(\vec{x},t)}{\text{d}t}=\underbrace{\frac{\partial\Phi}{\partial t}}_{\mbox{lokal}}+\underbrace{(\vec{v}\cdot\vec{\nabla})\Phi}_{\mbox{konvektiv}} </math>

In dieser Form tritt der Konvektionsterm insb. in der [[Konvektions-Diffusions-Gleichung]] auf.

Speziell ist in den [[Navier-Stokes-Gleichungen|Navier-Stokes-]] oder [[Euler-Gleichungen (Strömungsmechanik)|Eulergleichungen]] <math>\Phi=\vec v</math> mit der Fluidgeschwindigkeit <math>\vec v=\vec v(x,y,z)</math>. Damit lautet der Term der konvektiven Beschleunigung
<math>(\vec{v}\cdot\vec{\nabla})\vec v </math>.<ref>[https://labor.beuth-hochschule.de/fileadmin/labor/emr/Datein/Umdrucke_SL/AB_Transporttheorem.pdf Skript] M. Fraaß, Beuth Hochschule</ref>

== Weitere Beispiele ==
* Eine dünne Schicht eines nematischen [[Flüssigkristall]]s wird mit einem Temperaturfeld oder einem elektrischen Feld beaufschlagt. Unter geeigneten Bedingungen stellt sich eine durch das Temperaturfeld oder das elektrische Feld (elektrische Konvektion) angetriebene Konvektionströmung ein. Bei mittlerer Stärke des Feldes bilden sich Konvektionswalzen in der [[anisotrop]]en Schicht, bei hoher Stärke des Feldes lösen sich die Muster durch den Übergang in turbulente Strömungen auf.<ref>{{Internetquelle | url=https://www.staff.uni-bayreuth.de/~bt180034/index-Dateien/publ/040.pdf | titel=Musterbildung in hydrodynamischen Systemen | autor=Ingo Rehberg | werk=www.ep5.uni-bayreuth.de | datum=1994 | abruf=2026-02-19 | format=PDF, 3,28 MB | kommentar=25. Ferienkurs des IFF Jülich: Komplexe Systeme zwischen Atom und Festkörper }}</ref>
* Bei der Züchtung von [[Einkristall]]en aus Metalllegierungen kann das gewünschte gleichmäßige [[Kristallwachstum]] beim Erstarren der Schmelze durch konvektive Vorgänge gestört, aber auch bewusst beeinflusst werden. Diese Vorgänge sind neben der natürlichen Konvektion (thermisch und infolge von Konzentrationsunterschieden) auch die Marangoni-Konvektion (Schmelze fließt in Richtung hoher Oberflächenspannung) und bei induktiver Heizung oder anderen bewegten Magnetfeldern auch eine elektromagnetische Konvektion.<ref>{{Internetquelle | url=https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:14-994670019875-41192 | titel=Züchtung und physikalische Eigenschaften von Seltenerd-Übergangsmetall-Einkristallen | titelerg=Dissertation, Technische Universität Dresden | autor=Holger Bitterlich |werk=/nbn-resolving.de | datum=2000 | abruf=2015-01-06}}</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur | Autor= Michael Jischa | Titel= Konvektiver Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch | Verlag= Vieweg
| Ort= Braunschweig/Wiesbaden | Jahr= 1982 | ISBN=3-528-08144-9}}
* {{Literatur | Autor=Ulrich Kilian, Christine Weber [Red.] | Titel=Lexikon der Physik in sechs Bänden | Band=Bd. 3 | Verlag=Spektrum, Akademischer Verlag | Ort= Heidelberg | Jahr=1999 | ISBN=3-86025-293-3}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Convection|Konvektion|audio=1|video=1}}
* [https://www.dwds.de/wb/Konvektion Konvektion im DWDS-Wörterbuch]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Strömungsmechanik]]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4117572-4}}

Konvektion - Versionsgeschichte

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