La transfert de chaleur par convection Il se produit par le mouvement d'un fluide, qui peut être un gaz ou un liquide. Lorsque la densité diminue avec l'augmentation de la température, les masses de fluide plus chaudes augmentent, tandis que les parties les plus froides diminuent. De cette manière, un mouvement de masse de fluide est produit, à travers lequel la chaleur est transportée d'un côté à l'autre..
C'est la caractéristique qui distingue la convection de la conduction et du rayonnement, car en convection il y a toujours un déplacement net des masses. En revanche, le rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel pour se propager et en ce qui concerne la transmission par conduction, il est dû à des collisions successives entre atomes et molécules, sans mouvement net de matière..
Cependant, au niveau de l'atmosphère et des océans, il est aisé que des déplacements de grandes masses d'air et d'eau se produisent. C'est pourquoi la convection est le mécanisme de transfert d'énergie prédominant dans ces milieux, et c'est celui qui détermine en grande partie le climat de la Terre..
Dans une cuisine à la maison, vous pouvez voir de près les mécanismes de transfert de chaleur. Mettez simplement de l'eau à chauffer dans une casserole. La partie de fluide la plus proche de la flamme du brûleur se réchauffe, sa densité diminue et elle augmente. Sa place est remplacée par de l'eau plus froide, qui descend au fond du pot..
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Lorsqu'une portion de fluide est chauffée, ses molécules se déplacent plus rapidement et s'éloignent les unes des autres. Pour cette raison, le fluide à une température plus élevée devient moins dense et est capable de monter par flottation, transportant la chaleur avec lui..
Puis une masse de fluide plus froide occupe la place laissée par ces molécules montantes et cet échange continu génère les appels les courants de convection.
Ceci peut être réalisé de deux manières: par convection naturelle (libre) ou par convection forcée. En outre, les deux formes de convection sont présentes dans les systèmes de chauffage central ou dans les centrales solaires..
En quoi chacun consiste est expliqué ci-dessous:
Dans ce mécanisme, la chaleur ne circule que grâce au fait que la différence de température du fluide en question, en présence de la gravité terrestre, produit un changement de densité, ce qui fait flotter la partie la plus chaude et les parties les plus froides de descendre. Sans gravité, pas de convection naturelle.
Il existe une expérience simple en laboratoire qui permet de visualiser ces courants de convection naturelle lorsqu'ils se forment dans l'eau.
Un tuyau en verre plié en une forme carrée ou rectangulaire et un colorant qui rend visible les courants ascendants est nécessaire. Il s'agit généralement de permanganate de potassium, qui tache l'eau en violet ou des gouttes d'une sorte d'encre.
Maintenant, l'un des coins inférieurs du tuyau est chauffé et la densité de la partie d'eau juste au-dessus de la flamme diminue et augmente, étant remplacée par une partie d'eau plus froide..
Ce processus d'échange continu entre eau chaude et eau froide génère un courant de convection dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, qui est observé grâce au colorant violet, comme le montre la figure ci-dessus.
Le fluide peut également être forcé de circuler pour transmettre de la chaleur, au lieu de permettre aux courants de convection de se produire naturellement en raison de la différence de densités..
Lorsque la convection se produit grâce à des supports externes qui propulsent le fluide, comme un ventilateur ou une pompe, il s'agit d'une convection forcée. Le fluide peut être forcé de s'écouler à travers un tuyau, comme dans les systèmes de chauffage central des maisons, le radiateur d'une voiture ou dans un espace plus ouvert, grâce à un ventilateur de pales.
Le système de chauffage central d'une maison utilise le transfert de chaleur par convection dans l'eau.
Pour cela, l'eau chaude doit circuler dans des tuyaux sous le plancher, à partir d'une chaudière centrale. De cette manière, l'eau transfère la chaleur aux radiateurs ou appareils de chauffage et de ceux-ci la chaleur passe aux pièces, tandis que l'eau froide retourne à nouveau à la chaudière de chauffage pour répéter le cycle..
Comme on peut le voir, la convection naturelle et forcée est présente dans le mécanisme de chauffage central..
Les sources de chaleur telles que les radiateurs chauffent l'air qui les entoure et il monte, tandis que l'air du haut descend, générant des courants d'air convectifs dans la pièce chauffée.
Chaque fois que les aliments sont bouillis dans de l'eau ou trempés dans de l'huile pour la friture, ils sont cuits par chaleur transférée par convection.
Lors de la pasteurisation, le lait et les autres aliments liquides sont chauffés à des températures élevées pendant certaines périodes de temps, selon la variante de pasteurisation utilisée. Ceci est fait afin d'éliminer les bactéries et d'augmenter la durabilité du produit..
La convection est le principal mécanisme de transfert de chaleur dans ces cas, bien que d'autres mécanismes, tels que la conduction, ne soient pas exclus..
Les courants de convection dans l'atmosphère provoquent les vents. Ces courants sont formés en raison de nombreux facteurs, y compris le fait que la surface de la Terre ne chauffe pas uniformément..
Par exemple, pendant la journée, la plage chauffe plus que l'eau de mer, donc la flottabilité fait monter l'air au-dessus de la plage et l'air plus frais, provenant de la mer, prend sa place..
Mais la nuit, le processus se déroule à l'envers, car la plage perd de la chaleur plus rapidement que l'eau et l'air plus chaud est dirigé vers la mer. C'est pourquoi dans un feu nocturne sur la plage, la fumée se déplace vers la mer, tandis que si le feu est fait pendant la journée, la fumée se déplace vers la terre.
La Terre est composée de couches et le noyau a une couche externe à haute température qui n'est pas solidifiée. Le mouvement de la planète crée des courants de convection dans ce fluide, qui seraient responsables du champ magnétique terrestre..
Les champs magnétiques sont dus à la présence de charges électriques en mouvement. Les ions et les particules chargées présents dans le noyau externe sont capables de générer ce champ, car les mouvements planétaires font que ces particules se comportent de la même manière que de petites boucles de courant (circuits fermés)..
Les scientifiques ont trouvé une corrélation entre l'intensité du champ magnétique et la vitesse de rotation de la planète. On pense que le faible champ magnétique de Vénus est dû à sa vitesse de rotation plus lente que celle de Jupiter, dont le champ magnétique est beaucoup plus intense.
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