CONVECTION: CARACTÉRISTIQUES, EXEMPLES, APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2025

La convection est l'un des trois mécanismes par lesquels la chaleur est transférée d'une zone à une autre plus chaude. Elle a lieu à cause du mouvement de la masse d'un fluide, qui peut être un liquide ou un gaz. Dans tous les cas, un support matériel est toujours nécessaire pour que ce mécanisme ait lieu.

Plus le mouvement du fluide en question est rapide, plus le transfert d'énergie thermique entre des zones de températures différentes est rapide. Cela se produit en continu avec les masses d'air atmosphérique: la flottabilité garantit que les plus chauds et les moins denses montent tandis que les plus froids et les plus denses descendent.

Figure 1. Une pièce se refroidit en ouvrant la porte, puisque l'air chaud (flèche rouge) et moins dense monte et s'en échappe. Source: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Un exemple de ceci est la pièce fermée dans l'image, qui est immédiatement rafraîchie dès que les portes ou fenêtres sont ouvertes, car l'air chaud de l'intérieur s'échappe même à travers les fissures, laissant la place à l'air frais de l'extérieur qui reste plus vers le bas.

Types de convection

Convection naturelle et forcée

Figure 2. Exemples de convection forcée et de convection naturelle. Source: Cengel, Y. Thermodynamique.

La convection peut être naturelle ou forcée. Dans le premier cas, le fluide se déplace de lui-même, comme lors de l'ouverture de la porte de la pièce, tandis que dans le second il est forcé par un ventilateur ou une pompe, par exemple.

Diffusion et advection

Il peut également y avoir deux variantes: la diffusion et l'advection. En diffusion, les molécules du fluide se déplacent plus ou moins aléatoirement et la transmission de la chaleur est lente.

En revanche, l'advection déplace une bonne quantité de masse fluide, ce qui peut être obtenu en forçant la convection avec un ventilateur, par exemple. Mais l'avantage de l'advection est qu'elle est beaucoup plus rapide que la diffusion.

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Un modèle mathématique simple de transfert de chaleur par convection est la loi du refroidissement de Newton. Considérons une surface chaude de la zone A, entourée d'air plus frais, de sorte que la différence de température soit faible.

Appelons la chaleur transférée Q et le temps t. La vitesse à laquelle la chaleur est transférée est dQ / dt ou dérivée de la fonction Q (t) par rapport au temps.

Puisque la chaleur est de l'énergie thermique, ses unités dans le système international sont les joules (J), donc le taux de transfert est exprimé en joules / seconde, qui sont des watts ou des watts (W).

Ce taux est directement proportionnel à la différence de température entre l'objet chaud et le milieu, notée ΔT et également à la surface A de l'objet:

La constante de proportionnalité est appelée h, qui est le coefficient de transfert de chaleur par convection et est déterminée expérimentalement. Ses unités dans le système international (SI) sont W / m ². K, mais il est courant de le trouver en termes de degrés Celsius ou centigrades.

Il est important de noter que ce coefficient n'est pas une propriété du fluide, car il dépend de plusieurs variables, telles que la géométrie de la surface, la vitesse du fluide et d'autres caractéristiques.

En combinant tout ce qui précède, la loi mathématique du refroidissement de Newton prend cette forme:

Application de la loi du refroidissement de Newton

Une personne se tient au milieu d'une pièce à 20 ° C, à travers laquelle souffle une légère brise. Quel est le taux de chaleur que la personne transmet à l'environnement par convection? Supposons que la surface exposée est de 1,6 m ² et que la température de surface de la peau est de 29 ºC.

Fait: le coefficient de transfert de chaleur par convection dans ce cas est de 6 W / m ². ºC

Solution

La personne peut transmettre de la chaleur à l'air qui l'entoure, car elle est en mouvement lorsque la brise souffle. Pour trouver le taux de transfert dQ / dt, il suffit de brancher les valeurs dans l'équation de Newton pour le refroidissement:

dQ / dt = 6 W / m ². ºC x 1,6 m ² x (29 ºC - 20 ° C) = 86,4 W.

Exemples de convection

Réchauffez vos mains sur un feu de camp

Il est courant de se réchauffer les mains en les rapprochant d'un feu de camp ou d'un grille-pain chaud, car l'air autour de la source de chaleur à son tour se réchauffe et se dilate, s'élevant parce qu'il est moins dense. En circulant, cet air chaud enveloppe et réchauffe vos mains.

Figure 3. Une façon de réchauffer vos mains consiste à utiliser le courant de convection créé dans l'air par le feu. Source: Pxfuel.

Flux d'air sur la côte

Sur la côte, la mer est plus froide que la terre, donc l'air au-dessus de la terre se réchauffe et monte, tandis que l'air plus froid arrive et s'installe dans l'espace laissé par cet autre lors de l'ascension.

C'est ce qu'on appelle une cellule de convection et c'est la raison pour laquelle il fait plus frais lorsque l'on regarde la mer et que la brise souffle contre votre visage par une journée chaude. La nuit, c'est le contraire qui se produit, la brise fraîche vient de la terre.

Le cycle de l'eau

La convection naturelle se produit dans l'air des côtes océaniques, à travers le cycle hydrologique, dans lequel l'eau est chauffée et évaporée grâce au rayonnement solaire. La vapeur d'eau ainsi formée s'élève, se refroidit et se condense en nuages ​​dont les masses augmentent et montent par convection.

En augmentant la taille des gouttelettes d'eau, il arrive un moment où l'eau précipite sous forme de pluie, solide ou liquide, selon la température.

Faire bouillir de l'eau dans un récipient

Lorsque l'eau est placée dans la bouilloire ou la casserole, les couches les plus proches du fond sont chauffées en premier, car la flamme ou la chaleur du brûleur est la plus proche. Puis l'eau se dilate et sa densité diminue, donc elle monte et l'eau plus froide prend sa place au fond du récipient.

Figure 4. Chauffage de l'eau par convection. Source: Wikimedia Commons. Utilisateur: Oni Lukos / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).

De cette façon, toutes les couches circulent rapidement et l'ensemble de la masse d'eau se réchauffe. C'est un bon exemple d'advection.

Production éolienne

La convection dans les masses d'air, associée au mouvement de rotation de la Terre, produit des vents, car l'air froid se déplace et circule sous l'air chaud, créant divers courants appelés courants de convection.

courants océaniques

L'eau se comporte de la même manière que l'air dans l'atmosphère. Les eaux plus chaudes sont presque toujours près de la surface, tandis que les eaux plus froides sont plus profondes.

Effet dynamo

Il se produit dans le noyau fondu à l'intérieur de la planète, où il se combine avec le mouvement de rotation de la Terre, générant des courants électriques qui donnent naissance au champ magnétique terrestre.

Transmission d'énergie à l'intérieur des étoiles

Les étoiles comme le Soleil sont d'énormes sphères de gaz. La convection y est un mécanisme efficace de transport d'énergie, car les molécules gazeuses ont une liberté suffisante pour se déplacer entre les zones de l'intérieur des étoiles.

Applications de la convection

air conditionné

Le climatiseur est placé près du plafond des pièces, de sorte que l'air refroidi, qui est plus dense, descend et se refroidit rapidement plus près du sol.

Échangeurs de chaleur

C'est un dispositif qui permet la transmission de chaleur d'un fluide à un autre et constitue le principe de fonctionnement des climatiseurs et des mécanismes de refroidissement du moteur automobile, par exemple.

Isolateurs thermiques dans les bâtiments

Ils sont fabriqués en combinant des feuilles de matériau isolant et en ajoutant des bulles d'air à l'intérieur.

tours de refroidissement

Aussi appelées tours de refroidissement, elles servent à évacuer la chaleur produite par les centrales nucléaires, les raffineries de pétrole et d'autres installations industrielles diverses dans l'air, plutôt que dans le sol ou dans l'eau.

Références

1. Giambattista, A. 2010. Physique. 2ème. Ed. McGraw Hill.
2. Gómez, E. Conduction, convection et rayonnement. Récupéré de: eltamiz.com.
3. Natahenao. Applications de chaleur. Récupéré de: natahenao.wordpress.com.
4. Serway, R. Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipédia. Convection. Récupéré de: en.wikipedia.org.
6. Wikipédia. Convection thermique. Récupéré de: fr.wikipedia.org.