Convection

Définition

La convection est un phénomène physique résultant d'une instabilité de densité dans un fluide, généralement provoquée par une origine thermique et induisant des transports verticaux en son sein. L'advection est le contraire de la convection.

La convection avec un poêle :

Ce brasero montre la convection de l'air due à la chaleur.

Explications

La convection est l'une des trois formes de transfert de chaleur (conduction, convection et rayonnement) qui transporte la chaleur entre des zones de températures différentes. La convection ne survient que par les matériaux, l'évaporation de l'eau ou des fluides. La convection elle-même est le transport de chaleur par le mouvement du fluide. Par exemple, lors du chauffage de l'eau dans une casserole, l'eau qui entre en contact avec le fond de la casserole monte, tandis que l'eau de surface baisse et occupe la place laissée par la partie chaude.

Le transfert de chaleur, la thermoconvection, implique le transport de chaleur dans un volume et le mélange d'éléments macroscopiques de parties chaudes et froides d'un gaz ou d'un liquide. Il comprend également l'échange d'énergie entre une surface solide et un fluide ou au moyen d'une pompe, d'un ventilateur ou d'un autre dispositif mécanique (convection mécanique, forcée ou assistée).

Dans le transfert de chaleur libre ou naturel, un fluide est plus chaud ou plus froid. Le contact avec une surface solide provoque la circulation en raison des différences de densité résultant du gradient de température dans le fluide.

✅ Le transfert de chaleur par convection est exprimé par la loi de Newton sur le refroidissement.
✅ En milieu naturel, la convection correspond au cas général des transferts entre les surfaces (sol nu, végétation, surfaces d'eau...) et l'atmosphère.

Convection dans l'atmosphère

La convection dans l'atmosphère terrestre implique le transfert d'énormes quantités de chaleur absorbée par l'eau. Il forme des nuages de grand développement vertical (surtout les cumulonimbus, qui sont les types de nuages qui atteignent un développement vertical plus important). Ces nuages sont les porteurs typiques des orages et des fortes précipitations comme les averses. Lorsqu'ils atteignent une très haute hauteur (environ 12 ou 14 km, par exemple) et se refroidissent violemment, ils peuvent produire des tempêtes de grêle, car les gouttes de pluie gèlent lorsqu'elles se lèvent violemment, puis se précipitent au sol déjà à l'état solide. Ils peuvent avoir la forme d'un grand champignon asymétrique; et parfois une traînée est formée dans ce type de nuages qui ressemble à une sorte d'enclume.

Le processus à l'origine de la convection dans l'atmosphère terrestre est extrêmement important et génère une série de phénomènes fondamentaux dans l'explication des vents et dans la formation des nuages, des creux, des cyclones, des anticyclones, des précipitations, etc. Tous les processus et mécanismes de convection de la chaleur atmosphérique obéissent aux lois physiques de la thermodynamique. Parmi ces processus, il est essentiel d'expliquer le cycle de l'eau dans la nature ou le cycle hydrologique. Presque tous les phénomènes mentionnés ci-dessus ont à voir avec ce dernier mécanisme.

On l'appelle aussi le cycle hydrologique (ou cycle de l'eau) du chemin de l'eau dans l'atmosphère en raison de sa capacité à absorber la chaleur et à l'abandonner grâce à sa capacité à passer d'un état physique à un autre. Globalement, le cycle hydrologique fonctionne comme suit : les rayons du soleil chauffent les surfaces des eaux marines et terrestres qui, en absorbant cette chaleur, passent de l'état liquide à l'état gazeux sous forme de vapeur d'eau. La vapeur monte à une certaine hauteur et perd ainsi de la chaleur, se condense et forme des nuages composés de très petites gouttes d'eau qui restent suspendues à une certaine hauteur. Lorsque cette condensation s'accélère, par la montée même de la masse des nuages (convection), se forment des nuages de plus grand développement vertical, avec lesquels les gouttes grossissent et forment des précipitations pouvant être à la fois solides (neige, grêle) comme aqueux (pluie), en fonction de la température. Ces précipitations peuvent tomber à la fois dans la mer et dans les terres émergentes. Enfin, une partie de l'eau qui précipite sur les continents et les îles est renvoyée dans l'atmosphère par évaporation ou produit des courants fluviaux qui entraînent à nouveau une grande partie des eaux terrestres vers les mers et les océans, fermant ainsi le cycle, qui est répété à nouveau.

Comportement de tout fluide lors du transfert de chaleur

Lorsqu'un fluide cède de la chaleur, ses molécules ralentissent, de sorte que sa température diminue et que sa densité augmente, ses molécules étant attirées par la gravité de la Terre.

Lorsque le fluide absorbe de la chaleur, ses molécules accélèrent, ce qui augmente sa température et sa densité, ce qui le rend plus léger.

Le fluide le plus froid tend à tomber et occupe le niveau le plus bas de la verticale et les fluides les plus chauds sont déplacés au niveau le plus élevé, créant ainsi les vents de la terre.

Le transfert thermique par convection consiste en un contact du fluide avec une température initiale avec un autre élément ou matériau de température différente, en fonction de la variation des températures, de la charge énergétique moléculaire du fluide et de l'intervention des éléments en interaction du système. où celui avec la plus haute énergie ou température sera transféré à celui avec la plus basse température. Ce transfert thermique aura lieu jusqu'à ce que les deux aient la même température; Au cours du processus, les molécules de densité inférieure auront tendance à augmenter et celles de densité supérieure diminueront. Les molécules présentes dans les couches inférieures augmentent leur température.

Échangeurs de chaleur

Un échangeur de chaleur est un dispositif conçu pour échanger efficacement de la chaleur d'un fluide à un autre, que les fluides soient séparés par une paroi solide pour empêcher le mélange ou qu'ils soient en contact direct. Les échangeurs de chaleur sont largement utilisés dans les domaines de la réfrigération, de la climatisation, du chauffage, de la production d'énergie et du traitement chimique. Un exemple de base d'échangeur de chaleur est le radiateur d'une voiture, dans lequel le fluide de radiateur chaud est refroidi par le flux d'air à la surface du radiateur.

⭐ Voir aussi un caloduc.

Les agencements les plus courants des échangeurs de chaleur sont les suivants : écoulement parallèle, contre - courant et écoulement transversal. En parallèle, les deux fluides se déplacent dans le même sens lors de la transmission de chaleur; à contre-courant, les fluides se déplacent dans la direction opposée et, en écoulement transversal, les fluides se déplacent en formant un angle droit entre eux. Les types d'échangeurs de chaleur les plus courants sont les réservoirs à tubes et tubulaires, les tubes doubles, les tubes extrudés à ailettes, les tubes à ailettes en spirale, les tubes en U et les plaques. Plus d'informations sur les flux et les configurations des échangeurs de chaleur peuvent être obtenues dans l'article échangeur de chaleur et un flux convectif.

Lorsque les ingénieurs calculent le transfert de chaleur théorique dans un échangeur, ils doivent tenir compte du fait que le gradient de température entre les deux fluides varie avec la position. Pour résoudre le problème dans les systèmes simples, la différence de température moyenne logarithmique (DTML) est généralement utilisée pour déterminer statistiquement une valeur de température moyenne. Dans des systèmes plus complexes, la connaissance directe de DTML n'est pas possible et la méthode du nombre d'unités de transfert (NUT) peut être utilisée.

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