Convection
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Vous avez de 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 proches du fond de la casserole sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses (cf. masse volumique) et montent ; ceux de la surface de la casserole sont refroidis par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en densité et plongent. La chaleur est alors transférée de manière beaucoup plus efficace que par la conduction thermique ou le rayonnement, qui sont les deux autres modes de transfert de chaleur.
Ce phénomène physique très commun se produit dans de nombreux systèmes (casserole, manteau terrestre, étoile, ...) sous des formes diverses.
Sommaire |
[modifier] Phénomènes convectifs
[modifier] Vie courante
- Le mouvement dans une casserole posée sur le feu s'explique par les différences de densité créées par le chauffage. Le fluide se met en mouvement spontanément quand la différence de température entre le haut et de la couche d'eau atteint une valeur critique.
- La fumée de cigarette ou de cheminée monte car la combustion crée une zone très chaude et très légère par rapport à l'environnement. 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 thermique, devient plus légère (relativement) et engendre une circulation dans la maison.
[modifier] Technologie
- Le brûleur de la montgolfière réchauffe l'air au-dessus de lui et fait monter la nacelle.
- L'eau du circuit secondaire de réacteur 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 de l'eau particulièrement élevée.
[modifier] Géophysique
[modifier] Dans l'atmosphère
La convection est un phénomène fréquent dans l'atmosphère terrestre. Elle peut être déclenchée par un réchauffement du sol par le soleil, 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 pour se maintenir en vol. Les montgolfières utilisent aussi la convection comme moyen de sustentation, en emprisonnant une quantité 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 du système, interprétable comme une conversion d'énergie potentielle gravitationnelle, en énergie cinétique. De plus, lorsque l'air en ascendance contient suffisamment de vapeur d'eau, celle-ci en se condensant libère sa chaleur latente, 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. Pour plus de détails à ce sujet, voyez l'article sur les orages.
[modifier] Dans l'océan
L'océan est animé de courants marins qui ont pour moteur la convection : les eaux réchauffées et évaporés dans le golfe du Mexique remontent dans l'Atlantique, le Gulf Stream, et se refroidissent brutalement au contact de la calotte polaire arctique. Du fait de leur salinité et de leur température, elle plonge au fond de l'océan.
[modifier] Dans les volcans
Chambre magmatique, nuées ardentes.
[modifier] Dans la lithosphère
Convection à petite échelle, déstabilisation.
[modifier] Dans le manteau
Le manteau terrestre est constitué de roches (agrégat polycristallin) qui sur une échelle de temps géologique (le million d'année) se comporte comme un fluide. De la même manière qu'un glacier flue à l'état solide sur le pan d'une montagne, la convection a lieu dans le manteau à grande échelle.
Ce phénomène convectif est tenu pour responsable du déplacement en surfaces de plaques tectoniques. Cependant la relation entre convection et Tectonique des plaques est toujours en discussion.
Voir Convection dans le manteau
[modifier] Dans le noyau externe
Plus profond encore, sous le manteau, se trouve le noyau terrestre. Il est composé d'une graine métallique (appellé 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, magnétique) agissent de concert pour animer le noyau fluide. Dans un soucis de simplification, nous présentons ces différentes causes séparémment.
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 se refroidit et cristalise lentement à 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 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 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, notamment l'effet dynamo grace auquel nous baignons dans un champ magnétique terrestre. 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 :
[modifier] Astrophysique
Mouvements dans les étoiles.
[modifier] 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, 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 d'origine thermique ; la convection forcée : le mouvement du fluide est provoquée par un acteur extérieur.
[modifier] 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.
[modifier] La convection de Rayleigh-Bénard
C'est le cas d'école étudié par Henri Bénard et Lord Rayleigh. On considère un système simple.
[modifier] 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.
[modifier] Équations de conservations
- Conservation de la masse
- Conservation de la quantité de mouvement
- Conservation de l'énergie
[modifier] 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 d'expansion thermique, ΔT la différence de température entre le haut et le bas de la couche, κ la diffusivité thermique et η la viscosité dynamique 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.
[modifier] Pattern convectif
Rouleaux, cellules, panaches.
[modifier] Flux de chaleur
[modifier] Expression du flux de chaleur en convection
Pour un écoulement à une température 
autour d'une structure à une température uniforme TS de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante :
Où h est le coefficient d'échange thermique
[modifier] Résolution du problème
L'analyse dimensionnelle 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 et du régime d'écoulement.
L'ingénieur dispose alors d'une série de formules empiriques établies sur des configurations typiques (plaque plane, écoulement autour d'un cylindre ...) afin d'en déduire le coefficient d'échange thermique.
[modifier] Voir aussi
- Convection dans le manteau
