Konvektion untersuchen

Konvektion ist Wärmetransport durch mitreisende Materie. Erwärmte Flüssigkeit oder Luft dehnt sich aus, wird „leichter“ (geringere Dichte) und steigt auf, kühlere sinkt nach. Es entsteht ein Kreislauf, der Wärme großräumig verfrachtet, viel schneller, als Leitung es je könnte. Der Versuch macht die Strömungen sichtbar: im Wasser mit Farbkristallen, in Luft mit Papierspirale und Rauchfäden.

Konvektion beherrscht die großen Wärmesysteme: Zimmerheizung (die „Heizkörper“ heizen vor allem die Luftwalze), Wetter und Wind (Thermik, Seewind), Golfstrom, Erdmantel, und nicht zuletzt den Kochtopf. Wer die Kreisläufe einmal gesehen hat, liest Heizungsplanung („Heizkörper unters Fenster!“) und Wetterphänomene als angewandte Dichtephysik.

Rumford erkannte um 1797 die Strömung als eigenen Wärmeweg (beim Ausbleiben in Apfelbrei verbrannte er sich prompt); Hadley hatte mit Konvektionszellen schon 1735 die Passatwinde erklärt. Meteorologie und Geophysik rechnen heute globale Konvektionsmuster: vom Seewind bis zur Plattentektonik.

Teil A: Papierspirale über dem Teelicht aufhängen und die Rotation beobachten; dazu die Gegenproben (Kerze aus; Spirale seitlich). Teil B: Mit Fadensonde oder Rauch die Luftbewegung am warmen Heizkörper kartieren: unten, oben, in Fensternähe, quer durchs Zimmer.

Über der Kerze sollte ein unsichtbarer Warmluft-Schlot stehen. Die Spirale hängt als Turbine hinein; Rotation weist den Aufwind nach, und die Gegenproben (ohne Flamme nichts, seitlich nichts) prüfen die Ursache. Im Zimmer erwartet die Dichte-Logik eine große Walze: am Heizkörper auf, an der Decke quer, an der kühlen Wand oder Fensterfront ab, am Boden zurück. Die Sonden sollen genau diese vier Etappen finden. Das Zimmer heizt sich als Kreisverkehr.

Spirale aus Papier schneiden (Spiralschnitt in eine Kreisscheibe), am Faden mittig aufhängen; Sonde: leichter Wollfaden am Stab oder Räucherstäbchen (Lüftung aus, Fenster zu: Fremdwind stört!).

Teelicht mit Spirale im Aufwind-Schlot; daneben der Zimmerschnitt mit erwarteter Walze: Heizkörper, Decke, Fenster, Boden.

Aufbau Wasser: hohes schmales Becherglas, kaltes Wasser, Kaliumpermanganat-Kristall (mit Pinzette an den Rand des Bodens), Teelicht oder kleiner Brenner unter dieser Stelle. Aufbau Luft: Papierspirale an Faden über Teelicht; dünne Fadensonden oder Räucherstäbchen für die Heizkörper-Kartierung.

Teil A: Spirale 20 cm über die Flamme hängen und beobachten; Kerze löschen und auf Nachlauf achten; Spirale auf Flammenhöhe seitlich halten und beobachten.

Teil B: Sonde langsam führen: direkt über dem Heizkörper, an der Decke Richtung Raummitte, am (kühlen) Fenster, am Boden. Die Auslenkungsrichtungen protokollieren.

Teil A sichert den Mechanismus: Die Spirale rotiert nur über der brennenden Kerze. Der Warmluft-Schlot existiert also, ist gerichtet (senkrecht) und flammengebunden: Konvektion in Luft, per Turbine nachgewiesen. Das ist das Prinzip von Weihnachtspyramide und Lagerfeuer-Funkenflug.

Teil B findet die komplette Zimmerwalze: auf am Heizkörper, quer an der Decke, ab am kalten Fenster, zurück am Boden: alle vier Etappen mit den vorhergesagten Richtungen. Der Heizkörper heizt das Zimmer also weniger durch Strahlung als durch diesen Kreisverkehr. Und die Fensterplatzierung wird sinnvoll, denn dort startet die Abwärtsströmung ohnehin. Der Heizkörper darunter fängt die Kaltluft ab und wirft sie erwärmt zurück in den Kreislauf. Heizungsbau ist Konvektions-Choreografie.

Warme Luft steigt als gerichteter Schlot (Spiralrotation nur über der Flamme), und der Heizkörper treibt eine geschlossene Zimmerwalze (auf-quer-ab-zurück, per Sonde kartiert). Konvektion ist auch in Luft der große Wärmeverteiler, von der Zimmerheizung bis zur Thermik.

Luftströmungen sind schwach, und Fremdwind ist ihr Hauptfeind: