La convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont...) est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide (Les fluides sont des milieux parfaitement déformables. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple...). Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un...) se met en mouvement spontanément : les groupes de particules de fluide proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses (cf. masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur...) volumique) et montent ; ceux de la surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent...) de la casserole sont refroidis par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en densité (La densité est un nombre sans dimension, égal au rapport d'une masse d'une substance homogène à la masse du même volume...) et plongent. La chaleur est alors transférée de manière beaucoup plus efficace que par la conduction thermique (La conduction thermique (Le thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de...) est le mode de transfert de chaleur provoqué par une différence de température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de...) entre deux...) ou le rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement...), qui sont les deux autres modes de transfert de chaleur.

Ce phénomène physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ...) très commun se produit dans de nombreux systèmes (casserole, manteau terrestre, étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme...), ...) sous des formes diverses.

Phénomènes convectifs

Vie courante

Présentation de la convection dans une casserole

• Le mouvement dans une casserole posée sur le feu s'explique par les différences de densité créées par le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau, un être vivant pour lui...). Le fluide se met en mouvement spontanément quand la différence de température entre le haut et le bas de la couche d'eau atteint une valeur critique.
• La fumée de cigarette ou de cheminée (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit aménagé dans un bâtiment et prolongé à son sommet pour favoriser...) monte car la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie...) crée une zone très chaude et très légère par rapport à l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se...). Cette zone de fluide monte sous l'action de la poussée d'Archimède.
• Le chauffage par le sol relève du même principe. La couche chaude à la base des pièces, du fait de la dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans...) thermique, devient plus légère (relativement) et engendre une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) dans la maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à la demeure d'une famille, voire de plusieurs sans être...).

Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :)

• Le brûleur de la montgolfière (La montgolfière est un moyen de transport aérien, un aéronef plus léger que l'air aussi appelé aérostat. Le concept est...) réchauffe l'air au-dessus de lui et fait monter la nacelle.
• L'eau du circuit secondaire de réacteur (Un réacteur peut désigner :) des centrales nucléaires est refroidie dans les grandes cheminées en utilisant la capacité d'extraction de chaleur de la convection associée à la chaleur d'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est...) de l'eau particulièrement élevée.

Géophysique

Dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :)

La convection est un phénomène fréquent dans l'atmosphère terrestre. Elle peut être déclenchée par un réchauffement du sol par le soleil ((pourcentage en masse)), par le mouvement d'une masse d'air froid au-dessus d'un plan d'eau relativement chaude, ou par d'autres phénomènes qui provoquent le réchauffement relatif du bas d'une couche atmosphérique par rapport à son sommet.

On donne à la classe des nuages d'origine convective le nom générique de cumulus.

Sous sa forme bénigne, la convection peut donner aux planeurs et autres aéronefs non motorisés la poussée ascendante dont ils ont besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un...) pour se maintenir en vol. Les montgolfières utilisent aussi la convection comme moyen de sustentation, en emprisonnant une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre...) d'air chaud (moins dense que l'air environnant) à l'intérieur d'un ballon.

Le mouvement convectif ascendant s'accompagne du mouvement descendant d'un volume correspondant d'air plus dense (plus froid). La masse de l'air descendant est supérieure à celle de l'air ascendant ; il y a donc une baisse du centre de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) du système, interprétable comme une conversion d'énergie potentielle gravitationnelle (L'énergie potentielle gravitationnelle (ou énergie gravitationnelle) est le travail nécessaire pour transporter une...), en énergie cinétique (L'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou...) vive) est l’énergie que possède un...). De plus, lorsque l'air en ascendance contient suffisamment de vapeur () d'eau, celle-ci en se condensant libère sa chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de...), ce qui augmente le contraste thermique et la poussée convective. Les quantités d'énergie impliquées dans cette conversion peuvent être considérables et se traduire par de forts coups de vent, des tornades, de la grêle, et de la foudre (La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive.). Pour plus de détails à ce sujet, voyez l'article sur les orages.

Dans l'océan (Un océan est représentée, en géographie, par une vaste étendue d'eau salée. En réalité il s'agit plutôt d'un volume,...)

L'océan est animé de courants marins qui ont pour moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par...) la convection : les eaux réchauffées et évaporées dans le golfe du Mexique remontent dans l'Atlantique, le Gulf Stream (Le Gulf Stream est un courant océanique qui prend sa source entre la Floride et les Bahamas et se dilue dans l'océan...), et se refroidissent brutalement au contact de la calotte polaire arctique (L’Arctique est la région entourant le pôle nord de la Terre, à l’intérieur et aux abords du cercle polaire....). Du fait de leur salinité et de leur température, elle plonge au fond de l'océan.

Dans les volcans

Chambre magmatique, nuées ardentes.

Dans la lithosphère (La lithosphère (littéralement, la « sphère de pierre ») est la partie superficielle et rigide du matériau...)

Convection à petite échelle, déstabilisation.

Dans le manteau

Le manteau terrestre est constitué de roches (agrégat polycristallin) qui sur une échelle de temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les...) géologique (le million d'année) se comporte comme un fluide. De la même manière qu'un glacier (Un glacier est une masse de glace plus ou moins étendue qui se forme par le tassement de couches de neige accumulées....) flue à l'état solide sur le pan d'une montagne, la convection a lieu dans le manteau à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et...).

Ce phénomène convectif est tenu pour responsable du déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En...) en surfaces de plaques tectoniques. Cependant la relation entre convection et Tectonique (La tectonique (du grec « τ?κτων » ou « tekt?n » signifiant batisseur,...) des plaques est toujours en discussion.

Voir Convection mantellique

Dans le noyau externe

Plus profond encore, sous le manteau, se trouve le noyau terrestre. Il est composé d'une graine (Dans le cycle de vie des spermatophytes, la graine est le stade vital qui permet la dissémination des plantes. Elle...) métallique (appelé aussi noyau interne, sorte d'agrégat de liquides solidifiés sous l'effet de la pression) entourée d'une épaisse coquille, métallique elle aussi mais demeurant à l'état liquide: le noyau externe. On peut considérer ici que le liquide contenu dans le noyau externe est confiné entre deux solides. Le noyau externe en question est animé de mystérieux mouvements de convection aux formes inhabituelles. Plusieurs phénomènes physiques de natures différentes (thermique, mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies,...), magnétique) agissent de concert pour animer le noyau fluide. Dans un soucis de simplification, nous présentons ces différentes causes séparément.

La plus simple et la plus évidente d'entre toutes ces causes est certainement la poussée d'Archimède qui provoque des ascencions de parcelles dans le noyau fluide. Le noyau dans son ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble, désigne intuitivement une collection d’objets (que l'on appelle éléments...) se refroidit et cristalise lentement à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque...) entre le noyau interne et le noyau externe : de la chaleur et des éléments légers sont relargués par endroits à la base du fluide. Celui-ci, plus léger que son entourage (voir plus haut), se met naturellement à convecter. C'est une forme de convection dont les deux aspects thermiques et chimiques sont aussi importants l'un que l'autre. On parle de convection thermo-chimique.

Deux autres forces viennent ensuite embellir la mécanique en deviant la trajectoire des parcelles fluides. Tout d'abord, la force de Coriolis. En effet, contrairement au cas du manteau qui l'entoure, la viscosité du fluide constituant le noyau externe est très faible (proche de celle de l'eau). Par conséquent, et puisque la coquille qui encapsule le fluide métallique est en rotation (jour-nuit-jour ...) le mouvement de convection décrit plus haut subit très fortement l'action de la force de Coriolis. Celle-ci devient dominante par rapport aux forces visqueuses et contraint le fluide à s'organiser en colonnes rotatives plus ou moins régulières. À ce stade on peut se représenter la convection dans le noyau en imaginant des parcelles de fluide ascendantes/descendantes convectant avec des trajectoires aux formes spirallées (?? image convection coquille rotation).

Vient ensuite la force de Laplace. Ne l'oublions pas, le fluide considéré ici est métallique ! (fer + nickel + quelques éléments légers - link géochimie ?). C'est un très bon conducteur de l'électricté, sorte de fluide électrifié, qui est le siège de phénomènes hydro-magnétiques non élucidés à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux...), notamment l'effet dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique....) grace auquel nous baignons dans un champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique (En physique, le champ magnétique est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement...). Reste cependant une certitude, les phénomènes en question font naître dans le noyau des forces magnétiques suffisamment importantes (compte tenu de l'intensité du champ magnétique terrestre ambiant et de la vigueur de l'écoulement décrit plus tôt) pour modifier elles aussi à leur tour les mouvements de convection dont il est question ici. (image magnéto-convection ??). La convection dans le noyau externe semble alors se complexifier d'avantage.

Références :

 
 - sites: 
 - WikiArticles: 
 - livres, thèses: 
 

Astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et...)

Mouvements dans les étoiles.

Principe physique

Une particule de fluide chauffée à la base devient plus légère du fait de sa dilatation thermique et remonte sous l'action de la poussée d'Archimède. Arrivée au sommet de la couche, le fluide échange sa chaleur, se refroidit et s'alourdit. Il redescend alors et crée un transfert retour de chaleur.

La première approche physique a été mise en place par Henri Bénard (Henri Bénard est un physicien français né en 1874 et mort en 1939. Il est à l'origine de l'observation des cellules de...), avec l'étude de la convection dans une couche de fluide soumise à un gradient de température vertical. Ces expériences sont connues sous le nom de cellules de Bénard.

On distingue deux grands types convection : la convection naturelle où le mouvement du fluide porteur de chaleur se met en place spontanément en raison d'anomalie de masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante...) d'origine thermique ; la convection forcée : le mouvement du fluide est provoquée par un acteur (Un acteur est un artiste qui incarne un personnage dans un film, dans une pièce de théâtre, à la télévision, à la...) extérieur.

La convection naturelle

La convection naturelle est un phénomène de la mécanique des fluides, qui se produit lorsqu'une zone change de température et qu'elle se déplace alors verticalement sous l'effet de la poussée d'Archimède. Le changement de température d'un fluide influe en effet sur sa masse volumique, qui se trouve modifiée par rapport à la masse volumique du fluide environnant.

De tels déplacement s'appellent des mouvements de convection. Ils sont à l'origine de certains phénomènes océanographiques (courants marins), météorologiques (orages), géologiques (remontées de magma) par exemple.

La convection de Rayleigh-Bénard

C'est le cas d'école étudié par Henri Bénard et Lord Rayleigh. On considère un système simple.

Hypothèses physiques

On suppose un fluide newtonien, incompressible, dans l'approximation de Boussinesq, c'est-à-dire que la seule propriété physique qui change est la masse volumique.

Équations de conservations

• Conservation de la masse

• Conservation de la quantité de mouvement
• Conservation de l'énergie

Démarrage de la convection

Le transfert de chaleur dans une couche de fluide horizontale s'effectue par la conduction thermique et le mouvement du fluide. Quand on commence à imposer un gradient thermique entre les surfaces de la couche, un gradient thermique s'installe. Expérimentalement, on observe qu'au bout d'un certain temps, le fluide se met en mouvement spontanément : c'est le démarrage de la convection. Celui-ci est contrôlé par un nombre sans dimension :

avec ρ la masse volumique, g la force de gravité, α le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par...) d'expansion thermique, ΔT la différence de température entre le haut et le bas de la couche, κ la diffusivité thermique (La diffusivité thermique est la vitesse de pénétration et atténuation d'une onde thermique dans un milieu. La...) et η la viscosité dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé...) caractéristique (à noter : ces valeurs peuvent être variables dans le fluide et il est important de vérifier que l'on utilise bien des grandeurs caractéristiques)
Le démarrage s'effectue pour un nombre de Rayleigh de 657,5 pour des surfaces libres et 1770 pour les surfaces rigides.

Pattern convectif

Rouleaux, cellules, panaches.

Flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie,...) de chaleur

Expression du flux de chaleur en convection (Loi de Newton)

Pour un écoulement à une température autour d'une structure à une température uniforme T_S de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante :

Où h est le coefficient d'échange thermique

Résolution du problème

L'analyse dimensionnelle (L'analyse dimensionnelle est le domaine (restreint) de la physique qui concerne les unités des grandeurs. Notamment, le...) permet de montrer que, en convection forcée, le nombre de Nusselt s'exprime en fonction du nombre de Reynolds et du nombre de Prandtl.

• , Nusselt local à une abscisse x

• , Nusselt moyen sur une longueur L

Où C, m et n dépendent des caractéristiques du fluide, de la géométrie (Selon la définition donnée par Euclide dans ses Éléments, la géométrie serait la science mathématique des figures dans...) et du régime d'écoulement.

L'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent...) dispose alors d'une série de formules empiriques établies sur des configurations typiques (plaque plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de...), écoulement autour d'un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point...) ...) afin d'en déduire le coefficient d'échange thermique.