La chaleur, au niveau le plus élémentaire, est l'énergie cinétique des atomes et des molécules. La convection affecte tout, du chauffage de votre maison au processus de transfert de chaleur dans le soleil.
La relation entre la température et la densité
Lorsqu'un solide, un liquide ou un gaz est chauffé, les atomes ou les molécules qui le composent vibrent de plus en plus; ces vibrations accrues nécessitent plus de volume pour chaque atome/molécule.
Dans un gaz, cela s'exprime non pas comme une "vibration" mais comme une augmentation de la vitesse des particules, et donc une augmentation de la pression sur le récipient du gaz. Pour cette raison, la plupart des matériaux développer au fur et à mesure qu'ils sont réchauffés. Cela se produit surtout dans les gaz, mais aussi dans une moindre mesure dans les liquides et les solides.
Quand quelque chose se dilate, il devient moins dense; il y a moins de particules, et donc moins de masse, par unité de volume qu'auparavant. Mais dans les liquides et les gaz (fluides), une région de densité inférieure s'élèvera et flottera au-dessus des régions de densité plus élevée en raison de l'influence de la gravité. Ces deux concepts, que la chaleur provoque une diminution de la densité et que les fluides montent et descendent en fonction de la densité, se combinent pour créer le
La définition de la convection
La convection est une méthode de transfert d'énergie thermique où le transfert de chaleur se produit via le mouvement du fluide. Ce mouvement de fluide est causé par la différence de densité entre les régions plus chaudes du fluide et les régions plus froides. Ces mouvements sont appelés les courants de convection, et le mouvement convectif du fluide continue tant qu'il y a une différence de température entre les régions.
Cette différence de température est particulièrement marquée lorsqu'il y a une source de chaleur sur un côté du fluide, comme un radiateur près du sol d'une pièce. L'air chaud en bas se déplace continuellement vers le haut, tandis que l'air plus froid se déplace vers le bas pour être chauffé, puis se déplace également vers le haut. Le mouvement de l'air provoque des courants circulaires qui se poursuivront à moins que l'air n'atteigne une température d'équilibre; un verre d'eau à température ambiante n'aura généralement pas de courants de convection, tandis qu'un verre d'eau contenant de la glace aura des courants de convection.
La convection est souvent décrite comme une combinaison de deux processus physiques: l'advection et la diffusion. Advection est le transport de matière par mouvement en vrac, tel que le mouvement du limon du lit de la rivière par le courant de la rivière. La diffusion est le transport de matière par le mouvement des particules d'une zone de forte concentration à une zone de faible concentration, tel que le mouvement de particules de colorant se répandant à travers un verre d'eau.
Lorsque la convection déplace la matière plus chaude vers le haut et la matière plus froide vers le bas, elle le fait à la fois en déplaçant la matière en vrac (advection) et de manière particulaire (diffusion).
La convection ne peut pas, par définition, se produire dans les solides en raison de l'incapacité de créer un écoulement fluide dans la matière solide (les particules ne peuvent pas se déplacer les unes par rapport aux autres, mais ne peuvent que vibrer sur place). Le transfert de chaleur dans les solides se produit plutôt par conduction, ou le transfert d'énergie vibratoire d'un atome ou d'une molécule dans un cristal solide à ses voisins. Il y a quelques exceptions à cela dans les solides mous où les particules peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres.
Chauffage et climatisation de votre maison
Garder à l'esprit la convection peut vous aider à chauffer ou à climatiser votre maison plus efficacement. Étant donné que l'air chaud a tendance à monter et que l'air froid a tendance à couler, il est utile de placer les radiateurs plus près du sol et les climatiseurs plus haut.
Ventilateurs de plafond peut généralement fonctionner dans les deux sens: soit en soufflant de l'air par le haut, soit en soufflant de l'air par le bas. Souffler de l'air est généralement utile en été pour que vous sentiez la brise convective refroidir votre peau; tirer l'air vers le haut est utile en hiver car il aide à pousser l'air chaud en hauteur vers les murs, sans souffler directement sur vous.
Un lac glacial
Au fur et à mesure que l'eau se refroidit, elle se contracte et devient plus dense comme la plupart des autres substances. Cependant, lorsqu'il refroidit à environ 4 degrés Celsius, il commence en fait à se dilater légèrement. L'eau est assez unique en ce sens que sa forme solide, la glace, est moins dense que sa forme liquide. Ainsi, bien qu'il devienne généralement plus dense au fur et à mesure qu'il se refroidit, à un certain moment, cette tendance s'inverse et il commence à se dilater jusqu'à son point de congélation à 0 degré Celsius. Cela a un effet sur le fonctionnement de la convection dans un lac gelé.
Au fur et à mesure que l'eau d'un lac se refroidit, elle coule à mesure que l'eau plus chaude monte, mais seulement jusqu'à ce que tout le lac atteigne 4 degrés Celsius. À ce stade, la convection s'inverse: l'eau qui est plus froide que 4 degrés Celsius est moins dense que l'eau plus chaude, ce qui signifie que la partie supérieure du lac devient plus froide que le fond et la glace formes. C'est pourquoi les lacs gèlent en premier.
Convection solaire
Le Soleil (ainsi que la plupart des étoiles) subit une convection interne avec un plasma plus chaud et un plasma plus froid. Dans la zone de convection du Soleil, qui s'étend vers l'intérieur depuis sa surface extérieure, l'énergie thermique est transportée de l'intérieur solaire chaud vers les régions extérieures plus froides via des courants de convection.
Cela crée "cellules de convection", qui sont les taches sombres et claires que vous pouvez voir à la surface du Soleil. Les taches lumineuses sont des cellules de convection de plasma chaud qui vient de s'élever de l'intérieur; les taches sombres sont des cellules de convection du plasma qui ont refroidi et retomberont bientôt à travers la zone de convection.
Ces taches sombres et claires sont aussi parfois appelées granules solaires. Ils ont en moyenne un diamètre d'environ 1 000 km (environ la longueur de l'État de Californie) et ne restent à la surface que huit à vingt minutes environ. À tout moment, la surface du Soleil contient environ quatre millions de granules !
Autres exemples de convection
La convection est extrêmement importante en météorologie ou en étude du temps. Le flux d'air chaud et froid à travers l'atmosphère est ce qui crée différentes formes de nuages, ainsi que des orages, des tornades et des fronts météorologiques.
Quelque fours sont capables de cuire par convection. Les fours à convection utilisent des ventilateurs et un système d'échappement qui font circuler l'air à l'intérieur du four pendant la cuisson, soufflant de l'air chaud directement sur les aliments. Cela permet aux aliments de cuire plus rapidement et plus uniformément que s'ils étaient simplement placés près des éléments chauffants du four. Cela rend également l'intérieur du four plus sec et moins humide, ce qui peut être meilleur pour faire dorer les aliments.
Le champ magnétique de la Terre est causé par des courants de convection dans son noyau externe. Au centre de la Terre se trouve un noyau interne solide, entouré d'un noyau externe liquide composé principalement de fer et de nickel. Ces deux métaux sont de bons conducteurs d'électricité. Les courants de convection dans cette couche liquide créent des courants électriques dans le métal liquide, qui créent des champs magnétiques; la somme de ces champs magnétiques est le champ magnétique terrestre, qui pointe toutes les boussoles vers le pôle Nord et protège la Terre du rayonnement cosmique.
