Freie Konvektion

Gleichung 1.4 gibt an, dass Energie mit in vierter Potenz ansteigender Intensität abgestrahlt wird. Für hohe Temperaturen erfolgt der Wärmeübergang im Wesentlichen über den Strahlungsaustausch. Für tiefe Temperaturen überwiegt der direkte Wärmeübergang durch Stoßprozesse. Vor allem, wenn auch die Temperaturdifferenzen zwischen zwei Systemen gering sind.

Mit höherer Temperatur werden Teilchen beweglicher. Am absoluten Nullpunkt stehen sie relativ zueinander still. Bei Raumtemperatur bewegen sich sich mit einer bereits hohen Geschwindigkeit. In der Atmosphäre beispielsweise mindestens mit der Schallgeschwindigkeit von 330 m/s, sonst könnten sich Dichteschwankungen nicht so schnell ausbreiten.

Der Wärmeübertrag ist proportional der Temperaturdifferenz beider Systeme. Ein warmer Körper gibt Wärme an seine Umgebung ab, indem er zusätzlichen Impuls an die Gasteilchen überträgt. Diese können den Impuls soweit aufnehmen, bis mit ihrem eigenen Temperaturanstieg die Temperaturdifferenz der Systeme verschwindet. Sie legen sich als warme Hülle isolierend um das abgebende System. In der Schwerkraft bilden solche erwärmten Teilchen dann einen Auftrieb und es baut sich eine Konvektionsströmung auf. Sie verhindert, dass bereits erwärmte Bereiche in der Grenzfläche halten können und halten dort die effektive Temperaturdifferenz hoch. Bei schwachen Temperaturdifferenzen ist die Konvektionsströmung laminar, bei höheren turbulent und bei ganz hohen Temperaturen können sich seltsame strömungsarme Schichten an Oberflächen bilden. Man nennt sie Langmuirschichten und nutzt sie bei Doppelwendeln von Glühlampen. Damit werden Wärmeverluste der Glühwendel durch Konvektion verringert. Dadurch gibt es einen ganz langsamen Wärmeübergang ausschließlich durch Diffusionsprozesse.