Unterschied zwischen Konvektion und Leitung

Hauptunterschied - Konvektion vs. Durchleitung

Konvektion und Leitung sind beide Mechanismen der Wärmeübertragung. Das Hauptunterschied zwischen Konvektion und Leitung ist das, d.h.Bei der Konvektion wird Wärme durch einen Massenstrom übertragen während in der Leitung, Wärme wird durch Kollisionen von Partikeln übertragen das machen das Material aus.

Was ist Leitung?

Partikel, aus denen sich Materie zusammensetzt, sind immer in Bewegung. Wenn die Temperatur ansteigt, haben die Teilchen größere kinetische Energien und folglich schwingen sie mit größeren Amplituden. Während Leitung, ein vibrierendes Teilchen stößt ein benachbartes Teilchen an und gibt diesem Teilchen Energie. Dieses Teilchen schwingt jetzt mit einer größeren Amplitude und kann mit einem anderen benachbarten Atom zusammenstoßen, wodurch es Energie erhält. Dieser Energieübertragungsprozess kann von einem Ende eines Objekts bis zum anderen Ende fortgesetzt werden. Da sich eine Erhöhung der kinetischen Energie von Partikeln physikalisch als Temperaturanstieg manifestiert, wird der allmähliche Anstieg der kinetischen Energien der Partikel entlang des Objekts von einem allmählichen Temperaturanstieg entlang des Objekts begleitet. Dieser Vorgang, bei dem Wärme durch kollidierende Partikel übertragen wird, wird als "Prozess" bezeichnet Leitung.

Die Fähigkeit eines Materials, Wärme durch Wärmeleitung zu übertragen, ist durch seine Leitfähigkeit gekennzeichnet. Die Wärmeübertragungsrate,  oder der Wärmestrom zwischen zwei Objekten mit einer Temperaturdifferenz von  ist gegeben durch

woher   und sind die Querschnittsfläche bzw. die Länge des Leiters, der Wärme überträgt. Der Buchstabe  ist der Wärmeleitfähigkeit, gemessen in Einheiten von W m^-1 K^-1.

Wie sich aus der Gleichung ergibt, ist die Wärmeübertragungsrate direkt proportional zu der Temperaturdifferenz und der Querschnittsfläche des Leiters und umgekehrt proportional zur Länge des Leiters. Der Wert der Wärmeleitfähigkeit hängt von den mikroskopischen Eigenschaften des Materials ab. Metalle sind gute Wärmeleiter, da sie eine große Anzahl freier Elektronen enthalten, die zur Energieübertragung kollidieren können. In der Zwischenzeit schwingen die Ionen, die das Gitter bilden, um feste Positionen ebenfalls kollidieren und Wärme übertragen. Die freien Elektronen sind jedoch für den Großteil der Wärmeübertragung in Metallen verantwortlich.

Was ist Konvektion?

Konvektion ist der Mechanismus der Wärmeübertragung in Materialien durch einen Massenstrom des Materials. Um Wärme zu übertragen, bewegen sich hier Teile des Materials selbst - d. H. Es findet eine Massenübertragung innerhalb des Materials statt. Typischerweise tritt Konvektion in Flüssigkeiten auf. Konvektionseffekte können jedoch manchmal in Festkörpern beobachtet werden, wie bei der Plattentektonik. Das Diagramm unten zeigt die wirbelnden Muster der Konvektion, die durch Dampf entstehen, der aus einer Tasse Kaffee aufsteigt:

Konvektionsströmungen beginnen sich in Dampf zu bilden, der aus einer Tasse heißer Flüssigkeit steigt

Konvektion ist ein komplexer Prozess und es gibt keine einfache Gleichung, die ihn vollständig beschreibt. Wir können jedoch eine Annäherung für Fälle verwenden, in denen ein Fluid unter Verwendung einer festen Oberfläche erhitzt wird. Für diese Fälle ist die Wärmeübertragungsrate  ist gegeben durch,

woher  ist die Oberfläche, durch die Wärme übertragen wird,  ist die Temperatur des Feststoffs,  ist die Lufttemperatur.  ist bekannt als konvektiver Wärmeübergangskoeffizient. Dieser Koeffizient hängt von einer Reihe von Eigenschaften ab, darunter Dichte, Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Die Einheit für den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten ist W m^-2 K^-1.

Es ist zu beachten, dass die Fluide, die Wärme durch Konvektion übertragen, auch Wärme durch Leitung übertragen. Wenn die Leitung sehr effektiv ist, kann sie die Bildung von Konvektionsströmen verhindern und die konvektive Wärmeübertragung behindern. Ob der dominante Wärmeübertragungsmechanismus die Leitung oder die Konvektion für ein Fluid ist, könnte durch Berechnen einer Zahl ermittelt werden, die als bekannt ist Rayleigh-Nummer.

Das folgende Diagramm veranschaulicht Fälle, in denen jede der drei Arten von Wärmeübertragungsmechanismen dominiert.

Der Unterschied zwischen den drei wichtigsten Wärmeübertragungsmechanismen wurde veranschaulicht: Der Unterschied zwischen Konvektion und Strahlung wurde in einem anderen Artikel behandelt.

Unterschied zwischen Konvektion und Leitung

Mechanismus

Leitung überträgt Wärme über die Übertragung kinetischer Energie während Kollisionen zwischen schwingenden Partikeln.

Konvektion überträgt Wärme durch Bewegung der Partikel, aus denen das Material besteht.

Material

Leitung ist der dominante Mechanismus der Wärmeübertragung in Festkörpern.

Konvektion ist in der Regel der vorherrschende Mechanismus der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten.

Bild mit freundlicher Genehmigung

"Convection" von Rebecca Siegel (Eigene Arbeit) [CC BY 2.0], via flickr

"ไทย: http://www.roasterproject.com/2010/01/heat-transfer-the-basics/" von Kmecfiunit (Eigene Arbeit) [CC BY-SA 3.0], über Wikimedia Commons