Si vous rapprochez votre main d'une lampe électrique allumée ou placez votre paume sur un poêle chaud, vous pouvez sentir le mouvement des courants d'air chaud. Le même effet peut être observé lorsqu'une feuille de papier oscille au-dessus d'une flamme nue. Les deux effets s'expliquent par la convection.
Qu'est-ce que c'est ?
Le phénomène de convection est basé sur la dilatation d'une substance plus froide au contact de masses chaudes. Dans de telles circonstances, la substance chauffée perd de sa densité et devient plus légère par rapport à l'espace froid qui l'entoure. Plus précisément, cette caractéristique du phénomène correspond au mouvement des flux de chaleur lorsque l'eau est chauffée.
Le mouvement des molécules dans des directions opposées sous l'influence du chauffage est exactement ce sur quoi repose la convection. Le rayonnement et la conductivité thermique sont des processus similaires, mais ils concernent principalement le transfert d'énergie thermique dans les solides.
Exemples frappants de convection - le mouvement de l'air chaud au milieu d'une pièce avec chauffageappareils électroménagers, lorsque des flux chauffés se déplacent sous le plafond et que l'air froid descend jusqu'à la surface même du sol. C'est pourquoi, lorsque le chauffage est allumé, l'air du haut de la pièce est nettement plus chaud que celui du bas de la pièce.
Loi d'Archimède et dilatation thermique des corps physiques
Pour comprendre ce qu'est la convection naturelle, il suffit de considérer le processus à l'aide de l'exemple de la loi d'Archimède et du phénomène de dilatation des corps sous l'influence du rayonnement thermique. Ainsi, selon la loi, une augmentation de température entraîne nécessairement une augmentation du volume de liquide. Le liquide chauffé par le bas dans les conteneurs monte plus haut et l'humidité de densité plus élevée, respectivement, se déplace plus bas. Dans le cas d'un chauffage par le haut, des liquides plus ou moins denses resteront à leur place, auquel cas le phénomène ne se produira pas.
L'émergence du concept
Le terme "convection" a été proposé pour la première fois par le scientifique anglais William Prout en 1834. Il a été utilisé pour décrire le mouvement des masses thermiques dans des liquides chauffés et en mouvement.
Les premières études théoriques du phénomène de convection n'ont commencé qu'en 1916. Au cours des expériences, il a été constaté que la transition de la diffusion à la convection dans les liquides chauffés par le bas se produit lorsque certaines valeurs de température critiques sont atteintes. Plus tard, cette valeur a été définie comme le "numéro de Roel". Il a été ainsi nommé d'après le chercheur qui l'a étudié. Les résultats des expériences ont permis d'expliquer le mouvement des flux de chaleur sous l'influence des forces d'Archimède.
Types de convection
Il existe plusieurs types de phénomènes que nous décrivons - convection naturelle et forcée. Un exemple du mouvement des flux d'air chaud et froid au milieu d'une pièce est le meilleur moyen de caractériser le processus de convection naturelle. Quant au forçage, il peut être observé lors du mélange du liquide avec une cuillère, une pompe ou un agitateur.
La convection est impossible lorsque les solides sont chauffés. Cela est dû à l'attraction mutuelle assez forte lors de la vibration de leurs particules solides. En raison du chauffage des corps de structure solide, la convection et le rayonnement ne se produisent pas. La conductivité thermique remplace ces phénomènes dans de tels corps et contribue au transfert d'énergie thermique.
La soi-disant convection capillaire est un type distinct. Le processus se produit lorsque la température change pendant le mouvement du fluide dans les tuyaux. Dans des conditions naturelles, l'importance d'une telle convection, ainsi que la convection naturelle et forcée, est extrêmement insignifiante. Cependant, dans la technologie spatiale, la convection capillaire, le rayonnement et la conductivité thermique des matériaux deviennent des facteurs très importants. Même les mouvements convectifs les plus faibles en apesanteur rendent difficile la mise en œuvre de certaines tâches techniques.
Convection dans les couches de la croûte terrestre
Les processus de convection sont inextricablement liés à la formation naturelle de substances gazeuses dans l'épaisseur de la croûte terrestre. Le globe peut être considéré comme une sphère composée de plusieurs couches concentriques. Au centre se trouve un noyau chaud massif, qui est une masse liquide à haute densité contenant du fer,nickel, ainsi que d'autres métaux.
Les couches environnantes du noyau terrestre sont la lithosphère et le manteau semi-liquide. La couche supérieure du globe est directement la croûte terrestre. La lithosphère est formée de plaques individuelles en mouvement libre, se déplaçant le long de la surface du manteau liquide. Au cours du chauffage inégal de diverses parties du manteau et des roches, qui diffèrent par leur composition et leur densité, des flux convectifs se forment. C'est sous l'influence de tels flux que se produisent la transformation naturelle des fonds marins et le mouvement des continents porteurs.
Différences entre convection et conduction thermique
La conductivité thermique doit être comprise comme la capacité des corps physiques à transférer de la chaleur par le mouvement de composés atomiques et moléculaires. Les métaux sont d'excellents conducteurs de chaleur, car leurs molécules sont en contact étroit les unes avec les autres. Au contraire, les substances gazeuses et volatiles agissent comme de mauvais conducteurs de chaleur.
Comment se produit la convection ? La physique du processus est basée sur le transfert de chaleur dû au libre mouvement de la masse de molécules de substances. À son tour, la conductivité thermique consiste uniquement dans le transfert d'énergie entre les particules constitutives d'un corps physique. Cependant, les deux processus sont impossibles sans la présence de particules de matière.
Exemples du phénomène
L'exemple le plus simple et le plus compréhensible de la convection est le processus d'un réfrigérateur ordinaire. Circulationle gaz fréon refroidi à travers les tuyaux de la chambre de réfrigération entraîne une diminution de la température des couches supérieures de l'air. En conséquence, étant remplacés par des flux plus chauds, les flux froids coulent, refroidissant ainsi les produits.
La grille située sur le panneau arrière du réfrigérateur joue le rôle d'un élément qui facilite l'évacuation de l'air chaud formé dans le compresseur de l'appareil lors de la compression du gaz. Le refroidissement du réseau repose également sur des mécanismes convectifs. C'est pour cette raison qu'il est déconseillé d'encombrer l'espace derrière le réfrigérateur. Après tout, ce n'est que dans ce cas que le refroidissement peut se produire sans difficulté.
D'autres exemples de convection peuvent être observés en observant un phénomène aussi naturel que le mouvement du vent. Se réchauffant sur des continents arides et se refroidissant sur des terrains plus difficiles, les courants d'air commencent à se déplacer les uns les autres, les obligeant à se déplacer, ainsi qu'à déplacer l'humidité et l'énergie.
La possibilité d'envoler des oiseaux et des planeurs est liée à la convection. Des masses d'air moins denses et plus chaudes, avec un chauffage inégal près de la surface de la Terre, conduisent à la formation de courants ascendants, ce qui contribue au processus de montée en flèche. Pour surmonter les distances maximales sans dépenser de force et d'énergie, les oiseaux doivent être capables de trouver de tels cours d'eau.
De bons exemples de convection sont la formation de fumée dans les cheminées et les cratères volcaniques. Le mouvement ascendant de la fumée est basé sur sa température plus élevée et sa densité plus faible par rapport à son environnement. Au fur et à mesure que la fumée se refroidit, elle se dépose progressivement dans les couches inférieures de l'atmosphère. Exactement à cause de cette raisonles conduites industrielles, à travers lesquelles des substances nocives sont rejetées dans l'atmosphère, sont montées aussi haut que possible.
Les exemples les plus courants de convection dans la nature et la technologie
Parmi les exemples les plus simples et faciles à comprendre que l'on peut observer dans la nature, la vie quotidienne et la technologie, il convient de souligner:
- débit d'air pendant le fonctionnement des batteries de chauffage domestiques;
- formation et mouvement des nuages;
- le processus de mouvement du vent, des moussons et des brises;
- décalage des plaques terrestres tectoniques;
- processus qui conduisent à la formation de gaz libre.
Cuisine
De plus en plus, le phénomène de convection est réalisé dans les appareils électroménagers modernes, en particulier dans les fours. L'armoire à gaz avec convection vous permet de cuisiner différents plats en même temps sur des niveaux séparés à des températures différentes. Cela élimine complètement le mélange des goûts et des odeurs.
Le four traditionnel repose sur un seul brûleur pour chauffer l'air, ce qui entraîne une répartition inégale de la chaleur. En raison du mouvement ciblé des courants d'air chaud à l'aide d'un ventilateur spécialisé, les plats dans un four à convection s'avèrent plus juteux et mieux cuits. Ces appareils chauffent plus rapidement, ce qui réduit le temps nécessaire à la cuisson.
Bien sûr, pour les ménagères qui ne cuisinent au four que quelques fois par an, un appareil électroménager avecla fonction de convection ne peut être qualifiée de technique de première nécessité. Cependant, pour ceux qui ne peuvent pas vivre sans expériences culinaires, un tel appareil deviendra tout simplement indispensable dans la cuisine.
Nous espérons que le matériel présenté vous a été utile. Bonne chance !
