La convection c'est l'un des trois mécanismes par lesquels la chaleur est transférée d'une zone plus chaude à une zone plus froide. Elle a lieu en raison du mouvement de la masse d'un fluide, qui peut être un liquide ou un gaz. Dans tous les cas, un support matériel est toujours nécessaire pour que ce mécanisme puisse avoir lieu..
Plus le mouvement du fluide en question est rapide, plus le transfert d'énergie thermique entre des zones de températures différentes est rapide. Cela se produit en continu avec les masses d'air atmosphérique: la flottabilité garantit que les plus chauds et les moins denses montent tandis que les plus froids et les plus denses descendent.
Un exemple de ceci est la pièce fermée dans l'image, qui est immédiatement rafraîchie dès que les portes ou les fenêtres sont ouvertes, car l'air chaud de l'intérieur s'échappe même à travers les fissures, laissant la place à l'air frais de l'extérieur qui reste plus sous.
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La convection peut être naturelle ou forcée. Dans le premier cas, le fluide se déplace de lui-même, comme lors de l'ouverture de la porte de la chambre, tandis que dans le second il est forcé par un ventilateur ou une pompe, par exemple.
Il peut également y avoir deux variantes: la diffusion Oui advection. En diffusion, les molécules de fluide se déplacent plus ou moins aléatoirement et le transfert de chaleur est lent..
Par contre, lors de l'advection, une bonne quantité de masse fluide se déplace, ce qui peut être obtenu en forçant la convection avec un ventilateur, par exemple. Mais l'avantage de l'advection est qu'elle est beaucoup plus rapide que la diffusion.
Un modèle mathématique simple de transfert de chaleur par convection est la loi du refroidissement de Newton. Considérons une surface chaude de la zone A, entourée d'air plus frais, de sorte que la différence de température soit faible.
Appelons Q la chaleur transférée et t le temps. La vitesse à laquelle la chaleur est transférée est dQ / dt ou dérivée de la fonction Q (t) par rapport au temps.
Comme la chaleur est de l'énergie thermique, ses unités dans le système international sont les joules (J), donc le taux de transfert est en joules / seconde, qui sont des watts ou des watts (W)..
Ce taux est directement proportionnel à la différence de température entre l'objet chaud et le milieu, notée ΔT et aussi à la surface À de l'objet:
ΔT = Température à la surface de l'objet - Température loin de l'objet
La constante de proportionnalité est appelée h, quel est le coefficient de transfert de chaleur par convection et est déterminé expérimentalement. Ses unités dans le système international (SI) sont W / mdeux. K, mais il est courant de le trouver en termes de degrés Celsius ou centigrades.
Il est important de noter que ce coefficient n'est pas une propriété du fluide, car il dépend de plusieurs variables, telles que la géométrie de la surface, la vitesse du fluide et d'autres caractéristiques..
En combinant tout ce qui précède, la loi mathématique du refroidissement de Newton prend cette forme:
dQ / dt = hA ΔT
Une personne se tient au milieu d'une pièce à 20 ° C, à travers laquelle souffle une légère brise. Quel est le taux de chaleur que la personne transmet à l'environnement par convection? Supposons que la surface exposée est de 1,6 mdeux et la température de surface de la peau est de 29 ºC.
Fait: le coefficient de transfert de chaleur par convection dans ce cas est de 6 W / mdeux. ºC
La personne peut transmettre de la chaleur à l'air qui l'entoure, car elle est en mouvement lorsque la brise souffle. Pour trouver le taux de transfert dQ / dt, il suffit de brancher les valeurs dans l'équation de Newton pour le refroidissement:
dQ / dt = 6 W / mdeux. ºC x 1,6 mdeux x (29 ° C - 20 ° C) = 86,4 W.
Il est courant de se réchauffer les mains en les rapprochant d'un feu de camp ou d'un grille-pain chaud, car l'air entourant la source de chaleur se réchauffe et se dilate à son tour, s'élevant parce qu'il est moins dense. En circulant, cet air chaud enveloppe et réchauffe les mains.
Sur la côte, la mer est plus froide que la terre, donc l'air au-dessus de la terre se réchauffe et monte, tandis que l'air plus froid arrive et s'installe dans l'espace laissé par cet autre lors de l'ascension..
C'est appelé cellule de convection Et c'est la raison pour laquelle il fait plus frais lorsque vous regardez la mer et que la brise souffle contre votre visage par une journée chaude. La nuit, c'est le contraire qui arrive, la brise fraîche vient de la terre.
La convection naturelle se produit dans l'air des côtes océaniques, à travers le cycle hydrologique, dans lequel l'eau est chauffée et évaporée grâce au rayonnement solaire. La vapeur d'eau ainsi formée s'élève, se refroidit et se condense en nuages dont les masses augmentent et s'élèvent par convection..
Au fur et à mesure que la taille des gouttelettes d'eau augmente, il arrive un moment où l'eau précipite sous forme de pluie, solide ou liquide, selon la température..
Lorsque l'eau est placée dans la bouilloire ou la casserole, les couches les plus proches du fond sont chauffées en premier, car la flamme ou la chaleur du brûleur est la plus proche. Ensuite, l'eau se dilate et sa densité diminue, elle monte donc et l'eau plus froide prend sa place au fond du récipient..
De cette façon, toutes les couches circulent rapidement et l'ensemble de la masse d'eau se réchauffe. Ceci est un bon exemple d'advection.
La convection dans les masses d'air, associée au mouvement de rotation de la Terre, produit des vents, car l'air froid se déplace et circule sous l'air chaud, créant divers courants appelés courants de convection..
L'eau se comporte de la même manière que l'air dans l'atmosphère. Les eaux plus chaudes sont presque toujours près de la surface, tandis que les eaux plus froides sont plus profondes.
Il se produit dans le noyau fondu de l'intérieur de la planète, où il se combine avec la rotation de la Terre, générant des courants électriques qui donnent naissance au champ magnétique terrestre..
Les étoiles comme le Soleil sont d'énormes sphères de gaz. La convection y est un mécanisme efficace de transport d'énergie, car les molécules gazeuses ont suffisamment de liberté pour se déplacer entre les zones de l'intérieur des étoiles..
Le climatiseur est placé près du plafond des pièces, de sorte que l'air refroidi, qui est plus dense, descend et se refroidit rapidement plus près du sol.
C'est un dispositif qui permet la transmission de la chaleur d'un fluide à un autre et est le principe de fonctionnement des climatiseurs et des mécanismes de refroidissement du moteur de la voiture, par exemple.
Ils sont fabriqués en combinant des feuilles de matériau isolant et en ajoutant des bulles d'air à l'intérieur.
Aussi appelées tours de refroidissement, elles servent à évacuer la chaleur produite par les centrales nucléaires, les raffineries de pétrole et d'autres installations industrielles diverses dans l'air, plutôt que dans le sol ou les eaux.
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