Le transfert de chaleur par convection, souvent appelé simplement convection, est le transfert de chaleur d'un endroit à un autre par le mouvement des fluides. La convection est généralement la forme dominante de transfert de chaleur dans les liquides et les gaz.
La convection se produit lorsque les zones plus chaudes d'un liquide ou d'un gaz s'élèvent vers des zones plus froides du liquide ou du gaz. Un liquide ou un gaz plus froid remplace alors les zones plus chaudes qui se sont élevées plus haut. Cela se traduit par un modèle de circulation continue.
La convection est un processus de transfert de chaleur. Lorsque des courants sont produits, la matière est déplacée d'un endroit à un autre. C'est donc aussi un processus de transfert de masse.
La convection est le flux de chaleur à travers un mouvement macroscopique massif de matière d'une région chaude vers une région froide, par opposition au transfert microscopique de chaleur entre les atomes impliqués dans la conduction.
Supposons que nous considérions chauffer une région locale de l'air. Au fur et à mesure que cet air se réchauffe, les molécules se propagent, ce qui rend cette région moins dense que l'air ambiant non chauffé. Étant moins dense que l'air plus froid environnant, l'air chaud augmentera par la suite en raison des forces de flottabilité - on dit alors que ce mouvement d'air chaud dans une région plus froide transfère la chaleur par convection.
L'eau bouillante dans une casserole est un bon exemple de transfert de chaleur par convection. Lorsque le poêle est allumé pour la première fois, la chaleur est d'abord transférée par conduction entre les éléments à travers le fond de la casserole vers l'eau. Cependant, finalement, l'eau commence à bouillonner, ces bulles sont en fait des régions locales d'eau chaude remontant à la surface, transférant ainsi la chaleur de l'eau chaude en bas vers l'eau plus froide en haut par convection. Dans le même temps, l'eau plus froide et plus dense en haut coulera vers le bas, où elle sera ensuite chauffée.
Un autre bon exemple de convection est dans l'atmosphère. La surface de la terre est réchauffée par le soleil, l'air chaud monte et l'air frais entre.
La convection qui se produit naturellement est appelée convection naturelle ou convection libre. Si un fluide circule à l'aide d'un ventilateur ou d'une pompe, on parle de convection forcée. La cellule formée par les courants de convection est appelée cellule de convection ou cellule Benard .
Un autre exemple important de courants de convection est la création de brises sur les masses continentales à côté de grandes étendues d'eau. L'eau a une plus grande capacité thermique que la terre et par la suite retient mieux la chaleur. Il faut donc plus de temps pour changer sa température, que ce soit vers le haut ou vers le bas. Ainsi, pendant la journée, l'air au-dessus de l'eau sera plus frais que celui au-dessus de la terre. Cela crée une zone de basse pression sur la terre, par rapport à la zone de haute pression sur l'eau, et par la suite on trouve des brises soufflant de l'eau vers la terre. Par contre, pendant la nuit, l'eau se refroidit plus lentement que la terre et l'air au-dessus de l'eau est légèrement plus chaud qu'au-dessus de la terre. Cela crée une zone de basse pression au-dessus de l'eau par rapport à la zone de haute pression au-dessus de la terre, et les brises souffleront de la terre à l'eau.
Types de convection de chaleur
La convection thermique est de trois types: naturelle, forcée et mixte.
- Convection forcée - Dans un cas, la chaleur peut être transportée passivement par le mouvement du fluide, ce qui se produirait même sans le processus de chauffage, un processus de transfert de chaleur appelé vaguement convection forcée.
- Convection naturelle - Dans l'autre cas, le chauffage lui-même peut faire bouger le fluide via les forces d'expansion et de flottabilité, tout en provoquant simultanément le transport de la chaleur par ce mouvement - un processus connu sous le nom de convection naturelle ou convection libre.
- La convection mixte (combinée) est une combinaison de convection forcée et libre, qui est le cas général de la convection lorsqu'un débit est déterminé simultanément par un système de forçage externe (c.-à-d. Alimentation externe en énergie au système de corps fluidifié) et volumétrique interne ( masse), c'est-à-dire par la distribution de densité non uniforme d'un milieu fluide dans un champ de gravité.
Quelques exemples quotidiens de convection naturelle
- Eau bouillante - L'eau bouillante dans un bol fonctionne également selon le principe de la convection. Lorsque l'eau commence à chauffer, les molécules d'eau se dilatent et se déplacent dans le pot. Ainsi, la chaleur est transférée à d'autres parties du pot et l'eau froide commence à couler tandis que l'eau chaude monte.
- Un exemple simple de courants de convection est l'air chaud montant vers le plafond ou le grenier d'une maison. L'air chaud est moins dense que l'air frais, il monte donc.
- Le vent est un exemple de courant de convection. La lumière du soleil ou la lumière réfléchie irradie de la chaleur, créant une différence de température qui fait bouger l'air. Les zones ombragées ou humides sont plus froides ou capables d'absorber la chaleur, ce qui ajoute à l'effet. Les courants de convection font partie de ce qui anime la circulation globale de l'atmosphère terrestre.
- Tasse fumante de boisson chaude - Vous avez peut-être vu de la vapeur s'échapper d'une tasse de thé ou de café chaud. En raison de la chaleur du fluide, l'air chaud monte. Cet air chaud est de la vapeur.
- Glace fondante - La chaleur se déplace vers la glace depuis l'air. Cela provoque la fusion d'un solide à un liquide.
- Ballon à air chaud - Un appareil de chauffage à l'intérieur du ballon chauffe l'air et donc l'air se déplace vers le haut. Cela fait monter le ballon car l'air chaud est emprisonné à l'intérieur. Lorsque le pilote veut descendre, il libère une partie de l'air chaud et l'air frais prend sa place, faisant descendre le ballon.
- Décongélation des matières congelées - Les aliments surgelés décongèlent plus rapidement sous l'eau courante froide que s'ils sont placés dans l'eau. L'action de l'eau courante transfère plus rapidement la chaleur dans les aliments.
- Orage - L'eau chaude des océans s'élève dans l'air et se transforme en gouttes d'eau saturée qui forment des nuages. Lorsque ce processus se poursuit, les petits nuages se heurtent les uns aux autres et de plus gros nuages se forment. En atteignant le stade de croissance final, des cumulonimbus ou des orages se forment.
Convection en météorologie et géologie
- Convection du manteau - Le manteau rocheux de la Terre se déplace lentement à cause des courants de convection qui transfèrent la chaleur de l'intérieur de la Terre jusqu'à la surface. C'est la raison pour laquelle les plaques tectoniques se déplacent progressivement autour de la Terre. Un matériau chaud est ajouté sur les bords croissants d'une plaque, puis il refroidit. Aux limites de la consommation, le matériau devient dense en se contractant à cause de la chaleur et s'enfonce dans la Terre au niveau d'une tranchée océanique. Cela déclenche la formation de volcans.
- Circulation océanique - L'eau chaude autour de l'équateur circule vers les pôles et l'eau plus froide aux pôles se déplace vers l'équateur.
- L'effet de cheminée ou de cheminée - Il s'agit du mouvement de l'air dans et hors des bâtiments, des conduits de fumée ou d'autres objets en raison de la flottabilité. Dans ce cas, la flottabilité fait référence aux différentes densités dans l'air entre l'air intérieur et l'air extérieur. La force de flottabilité augmente en raison de la plus grande hauteur de la structure et d'une plus grande différence entre le niveau de chaleur de l'air intérieur et extérieur.
- Convection d'une étoile - Une étoile a une zone de convection où l'énergie est déplacée par convection. À l'extérieur du noyau se trouve une zone de rayonnement où le plasma se déplace. Un courant de convection se forme lorsque le plasma monte et que le plasma refroidi descend.
- Convection gravitationnelle - Cela montre quand le sel sec se diffuse vers le bas dans le sol humide parce que l'eau douce flotte dans l'eau salée.
- Les courants de convection sont évidents au soleil . Les granules visibles dans la photosphère du soleil sont les sommets des cellules de convection. Dans le cas du soleil et d'autres étoiles, le fluide est du plasma plutôt qu'un liquide ou un gaz.
Convection forcée
C'est là qu'un appareil externe tel qu'un ventilateur, une pompe ou un dispositif d'aspiration est utilisé pour faciliter la convection.
Voici quelques exemples de convection forcée:
- Radiateur - Dans le radiateur, l'élément chauffant est placé au bas de la machine. Ainsi, l'air chaud de cet élément chauffant est remplacé par de l'air froid.
- Réfrigérateur - Le congélateur est placé en haut. La raison en est que l'air chaud à l'intérieur du réfrigérateur montera, mais l'air plus froid dans la zone du congélateur descendra et gardera la partie inférieure du réfrigérateur au chaud.
- Climatiseur - L'unité de refroidissement d'un climatiseur est placée en haut. Ainsi, l'air chaud monte jusqu'à l'unité de refroidissement, il est remplacé par de l'air froid et la pièce est refroidie.
- Popper à air chaud - Il a un ventilateur, un élément chauffant et un évent. Lorsque le popper est mis sous tension, le ventilateur souffle de l'air sur l'élément chauffant via l'évent. L'air devient chaud et monte ainsi. Les grains de maïs soufflé sont placés juste au-dessus de l'élément chauffant. L'air chaud monte et les grains de maïs soufflé sont chauffés. C'est ainsi que nous obtenons notre délicieux pop-corn.
- Four à convection - Dans un four à convection, le principe de la convection forcée est utilisé. L'air dans le compartiment est forcé à chauffer en utilisant des éléments chauffants. En raison de cet échauffement, les molécules d'air se dilatent et se déplacent. La nourriture à l'intérieur est cuite grâce à cet air chaud.
- Moteur refroidi par air - Les moteurs refroidis par air sont refroidis par des courants de convection dans leurs conduites d'eau. Le moteur, en marche pendant une longue période, s'échauffe. La chaleur dissipée doit être refroidie pour maintenir le moteur en marche. Le moteur est recouvert d'une chemise d'eau chauffée. En raison de ce chauffage, de l'eau chaude circule dans les tuyaux entourant le moteur. Ces tuyaux ont des ventilateurs grâce auxquels l'eau chaude est refroidie. Cette eau chaude, par le principe de la convection, coule, refroidissant ainsi le moteur.
