Convection - Définition et Explications

La convection 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. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement spontanément : les groupes de particules de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses (cf. masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) volumique) et montent ; ceux de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la casserole sont refroidis par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) et plongent. La chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) est alors transférée de manière beaucoup plus efficace que par la conduction thermique (La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de phénomène de transfert...) ou le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...), qui sont les deux autres modes de transfert de chaleur (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est...).

Ce phénomène physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) 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...), ...) sous des formes diverses.

Phénomènes convectifs

Vie (La vie est le nom donné :) courante

Présentation de la convection dans une casserole
Présentation de la convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) dans une casserole
  • Le mouvement dans une casserole posée sur le feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation...) 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...). Le fluide se met en mouvement spontanément quand la différence de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) entre le haut et le bas de la couche d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) atteint une valeur critique.
  • La fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...) de cigarette ou de cheminée (Une cheminée (lat. caminus) est un conduit vertical aménagé dans un bâtiment,...) monte car la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) 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...). Cette zone de fluide monte sous l'action de la poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) d'Archimède (Archimède de Syracuse (en grec ancien :...).
  • Le chauffage par le sol relève du même principe. La couche chaude à la base des pièces, du fait de la dilatation thermique (La dilatation thermique est l'expansion à pression constante du volume d'un corps...), devient plus légère (relativement) et engendre une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) dans la maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille,...).

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

  • Le brûleur de la montgolfière (La montgolfière est un aérostat dont la sustentation est assurée par de l'air...) réchauffe l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) 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'eau particulièrement élevée.

Géophysique

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

La convection est un phénomène fréquent dans l'atmosphère terrestre (L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide. L'air sec se compose...). Elle peut être déclenchée par un réchauffement du sol par le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), par le mouvement d'une masse d'air froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) 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...) 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,...) 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 (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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 (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de...) du système, interprétable comme une conversion d'énergie potentielle gravitationnelle (L'énergie potentielle gravitationnelle (ou énergie gravitationnelle) est le travail nécessaire...), en énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...). 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...), ce qui augmente le contraste thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et la poussée convective. Les quantités d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) impliquées dans cette conversion peuvent être considérables et se traduire par de forts coups de vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...), des tornades, de la grêle (La grêle est un type de précipitation qui se forme dans des orages particulièrement...), et de la foudre (La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui...). Pour plus de détails à ce sujet, voyez l'article sur les orages.

Dans l'océan (Un océan est souvent défini, en géographie, comme une vaste étendue d'eau...)

L'océan est animé de courants marins qui ont pour moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) la convection : les eaux réchauffées et évaporées dans le golfe (Un golfe (italien golfo, grec kolpos, pli) est une partie de mer avancée dans les terres, en...) 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...), 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...). 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...)

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 par l'être humain pour appréhender le...) géologique (le million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) 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...) flue à l'état solide sur le pan d'une montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la...), la convection a lieu dans le manteau à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...).

Ce phénomène convectif est tenu pour responsable du déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) en surfaces de plaques tectoniques. Cependant la relation entre convection et Tectonique des plaques (La tectonique des plaques (d'abord appelée dérive des continents) est le modèle actuel du...) 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 « plantes à graines », la graine est la structure qui...) métallique (appelé aussi noyau interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...), 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...): 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...), 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...) se refroidit et cristalise lentement à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) 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 (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) des parcelles fluides. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) d'abord, la force de Coriolis (La force de Coriolis est une force inertielle agissant perpendiculairement à la direction du...). 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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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 (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) 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 (La force de Laplace est une force qui s'exerce sur un fil conducteur () dans lequel passe un...). Ne l'oublions pas, le fluide considéré ici est métallique ! (fer + nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) + 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...), notamment l'effet dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en...) grace auquel nous baignons dans un champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...). 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 (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) 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 (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...)

Mouvements dans les étoiles.

Principe physique

Image:principe_convection.png

Une particule de fluide chauffée à la base devient plus légère du fait de sa dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement,...) 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...), avec l'étude de la convection dans une couche de fluide soumise à un gradient de température vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...). Ces expériences sont connues sous le nom de cellules de Bénard (Les cellules de Bénard sont un concept apparaissant lors de l'étude de la convection. Elles sont...).

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 (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) 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...) extérieur.

La convection naturelle

La convection naturelle est un phénomène de la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de 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 (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) de Boussinesq, c'est-à-dire que la seule propriété physique qui change est la masse volumique.

Équations de conservations

  • Conservation de la masse (Avant de découvrir que la masse est une des formes de l'énergie, les lois de la physique et de la...)

\nabla\cdot\mathbf{u}=0

  • Conservation de la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse...)
  • 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) sans dimension :
Ra=\frac{\mathrm{Poussee\,d'Archimede}}{\mathrm{dissipation}}=\frac{\rho g\alpha \Delta T d^3}{\kappa \eta}
avec ρ la masse volumique, g la force de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), α le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) 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...) et η la viscosité dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) 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 de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le...)

Expression du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de chaleur en convection (Loi de Newton)

Pour un écoulement à une température T_\infty autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'une structure à une température uniforme TS de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante :

\phi=h S \big(T_S - T_\infty \big)

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...) permet de montrer que, en convection forcée, le nombre de Nusselt s'exprime en fonction du nombre de Reynolds et du nombre de Prandtl.

  • Nu_x=C{Re_x}^m Pr^n, Nusselt local à une abscisse x
  • \overline{Nu_L}=C{Re_L}^m Pr^n, Nusselt moyen sur une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) L

Où C, m et n dépendent des caractéristiques du fluide, de la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) et du régime d'écoulement.

L'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) 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...), écoulement autour d'un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée...) ...) afin d'en déduire le coefficient d'échange thermique.

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