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Convection
La convection est un transfert d’énergie associé au mouvement d’un fluide, c’est-à-dire d’un liquide ou d’un gaz.
Un fluide transporte de l’énergie en se déplaçant
Dans une convection, le fluide lui-même se déplace et emporte avec lui de l’énergie. C’est ce qui distingue ce mécanisme de la conduction pure dans un solide immobile. La convection intervient dans l’air d’une pièce, l’eau d’une casserole, l’atmosphère et de nombreux dispositifs de refroidissement.
Pourquoi l’air chaud monte-t-il ?
Lorsqu’une masse d’air est chauffée dans des conditions où elle peut se dilater, sa masse volumique diminue généralement. Dans le champ de pesanteur, l’air moins dense peut subir une poussée vers le haut par rapport à l’air environnant plus dense. L’air plus froid descend alors pour le remplacer : une circulation peut s’établir.
Convection naturelle
On parle de convection naturelle lorsque le mouvement du fluide résulte principalement des différences de masse volumique provoquées par les variations de température. Un radiateur chauffe l’air voisin ; celui-ci monte, tandis que de l’air plus froid vient prendre sa place.
Le mouvement de l’air est plus complexe qu’une boucle parfaite, car les murs, fenêtres, personnes, meubles et courants d’air perturbent l’écoulement. Le schéma de convection reste néanmoins un bon premier modèle.
Convection forcée
Lorsque le mouvement est imposé par un ventilateur, une pompe ou un autre dispositif, on parle de convection forcée. Un ventilateur d’ordinateur fait circuler l’air autour des composants ; une pompe fait circuler le liquide de refroidissement d’un moteur.
Pourquoi souffler refroidit-il ?
Un courant d’air renouvelle l’air au contact d’un objet ou de la peau. Cela peut augmenter les échanges thermiques par convection et, si la surface est humide, accélérer aussi l’évaporation. Les deux effets contribuent à la sensation de refroidissement.
Convection et conduction travaillent ensemble
Au contact direct d’une paroi solide, l’énergie passe entre la surface et la couche de fluide voisine par des mécanismes microscopiques de conduction. Le mouvement du fluide transporte ensuite cette énergie plus loin. Dans les problèmes réels, séparer parfaitement conduction et convection est donc surtout une manière utile d’organiser l’analyse.
Transfert à travers la matière sans mouvement global imposé.
Transport associé au déplacement d’un fluide.
Dans l’eau d’une casserole
Le fond de la casserole chauffe d’abord l’eau voisine. Si les différences de température deviennent suffisantes, des mouvements de convection naturelle peuvent apparaître et contribuer à répartir l’énergie. Lorsque l’ébullition commence, le mouvement devient beaucoup plus intense et le système comporte en plus un changement d’état.
Atmosphère et océans
Les différences de température et de densité contribuent à de nombreux mouvements atmosphériques et océaniques. À grande échelle, la rotation de la Terre, la salinité, l’humidité et la géographie rendent toutefois ces circulations beaucoup plus complexes qu’une simple cellule de convection de laboratoire.
L’essentiel
La convection transporte de l’énergie grâce au mouvement d’un liquide ou d’un gaz. Elle peut être naturelle, lorsqu’elle résulte de différences de masse volumique, ou forcée par une pompe ou un ventilateur. Dans les situations réelles, elle agit souvent en même temps que la conduction et le rayonnement.
Mise en pratique : pourquoi l’air chaud monte-t-il ?
chauffage → dilatation → densité plus faible → montée → refroidissement → densité plus forte → descente.
En résumé
La convection transporte de l’énergie par le mouvement collectif d’un fluide. Elle dépend des gradients de température, de la gravité, de la viscosité et de la géométrie du système.