Convection - Convection

Cette figure montre un calcul de la convection thermique dans le manteau terrestre . Les couleurs plus proches du rouge sont les zones chaudes et les couleurs plus proches du bleu sont les zones chaudes et froides. Une couche limite inférieure chaude et moins dense envoie des panaches de matière chaude vers le haut, et de même, la matière froide du haut se déplace vers le bas.

La convection est un écoulement de fluide monophasique ou multiphasique qui se produit spontanément en raison des effets combinés de l' hétérogénéité des propriétés des matériaux et des forces corporelles sur un fluide , le plus souvent la densité et la gravité (voir flottabilité ). Lorsque la cause de la convection n'est pas spécifiée, une convection due aux effets de la dilatation thermique et de la flottabilité peut être supposée. La convection peut également avoir lieu dans des solides mous ou des mélanges où les particules peuvent s'écouler.

L'écoulement convectif peut être transitoire (comme lorsqu'un mélange multiphasique d' huile et d' eau se sépare) ou en régime permanent (voir Cellule de convection ). La convection peut être due à des forces de corps gravitationnelles , électromagnétiques ou fictives . Le transfert de chaleur par convection naturelle joue un rôle dans la structure de l'atmosphère terrestre , de ses océans et de son manteau . Les cellules convectives discrètes dans l'atmosphère peuvent être identifiées par les nuages , avec une convection plus forte entraînant des orages . La convection naturelle joue également un rôle en physique stellaire . La convection est souvent classée ou décrite par l'effet principal provoquant le flux convectif, par exemple la convection thermique.

Image thermique d'une bouilloire Ghillie nouvellement allumée . Le panache d'air chaud résultant du courant de convection est visible.

La convection ne peut pas avoir lieu dans la plupart des solides car ni les flux de courant en vrac ni la diffusion significative de la matière ne peuvent avoir lieu.

Terminologie

Le mot convection a des usages différents mais liés dans différents contextes ou applications scientifiques ou techniques. Le sens le plus large est en mécanique des fluides , où la convection fait référence au mouvement du fluide entraîné par la différence de densité (ou autre propriété).

En thermodynamique, « convection » fait souvent référence au transfert de chaleur par convection , où la variante préfixée Convection naturelle est utilisée pour distinguer le concept de mécanique des fluides de convection (couvert dans cet article) du transfert de chaleur par convection.

Certains phénomènes qui se traduisent par un effet superficiellement similaire à celui d'une cellule convective peuvent également être (à tort) appelés une forme de convection, par exemple la convection thermo-capillaire et la convection granulaire .

Exemples et applications

La convection se produit à grande échelle dans les atmosphères , les océans, les manteaux planétaires , et elle fournit le mécanisme de transfert de chaleur pour une grande partie des intérieurs les plus externes de notre soleil et de toutes les étoiles. Le mouvement des fluides pendant la convection peut être invisiblement lent, ou il peut être évident et rapide, comme dans un ouragan . À l'échelle astronomique, on pense que la convection de gaz et de poussière se produit dans les disques d'accrétion des trous noirs , à des vitesses qui peuvent approcher de près celle de la lumière.

Expériences de démonstration

La convection thermique dans les liquides peut être démontrée en plaçant une source de chaleur (par exemple un bec Bunsen ) à côté d'un récipient contenant un liquide. L'ajout d'un colorant à l'eau (comme du colorant alimentaire) permettra de visualiser l'écoulement.

Une autre expérience courante pour démontrer la convection thermique dans les liquides consiste à immerger des récipients ouverts de liquide chaud et froid coloré avec du colorant dans un grand récipient du même liquide sans colorant à une température intermédiaire (par exemple, un pot d'eau chaude du robinet colorée en rouge, un pot de eau réfrigérée dans un réfrigérateur de couleur bleue, abaissée dans un réservoir d'eau claire à température ambiante).

Une troisième approche consiste à utiliser deux pots identiques, l'un rempli d'eau chaude teinte d'une couleur et l'autre d'eau froide d'une autre couleur. Un pot est ensuite temporairement scellé (par exemple avec un morceau de carton), inversé et placé au-dessus de l'autre. Lorsque la carte est retirée, si le pot contenant le liquide plus chaud est placé dessus, aucune convection ne se produira. Si le pot contenant le liquide le plus froid est placé dessus, un courant de convection se formera spontanément.

La convection dans les gaz peut être démontrée à l'aide d'une bougie dans un espace scellé avec un orifice d'admission et d'échappement. La chaleur de la bougie provoquera un fort courant de convection qui peut être démontré avec un indicateur de débit, tel que la fumée d'une autre bougie, libérée près des zones d'admission et d'échappement respectivement.

Convection double diffusion

Cellules de convection

Cellules de convection dans un champ de gravité

Une cellule de convection , également connue sous le nom de cellule de Bénard , est un modèle d'écoulement de fluide caractéristique dans de nombreux systèmes de convection. Un corps de fluide ascendant perd généralement de la chaleur parce qu'il rencontre une surface plus froide. Dans le liquide, cela se produit car il échange de la chaleur avec un liquide plus froid par échange direct. Dans l'exemple de l'atmosphère terrestre, cela se produit parce qu'elle dégage de la chaleur. En raison de cette perte de chaleur, le fluide devient plus dense que le fluide en dessous, qui continue de monter. Puisqu'il ne peut pas descendre à travers le fluide ascendant, il se déplace d'un côté. À une certaine distance, sa force descendante surmonte la force montante en dessous et le fluide commence à descendre. En descendant, il se réchauffe à nouveau et le cycle se répète.

Convection atmosphérique

Circulation atmosphérique

Représentation idéalisée de la circulation mondiale sur Terre

La circulation atmosphérique est le mouvement à grande échelle de l'air et est un moyen par lequel l' énergie thermique est distribuée à la surface de la Terre , ainsi que le système de circulation océanique beaucoup plus lent (retardé). La structure à grande échelle de la circulation atmosphérique varie d'année en année, mais la structure climatologique de base reste assez constante.

La circulation latitudinale se produit parce que le rayonnement solaire incident par unité de surface est le plus élevé à l' équateur thermique et diminue à mesure que la latitude augmente, atteignant des minima aux pôles. Il se compose de deux cellules de convection primaires, la cellule de Hadley et le vortex polaire , la cellule de Hadley connaissant une convection plus forte en raison de la libération d' énergie thermique latente par condensation de vapeur d'eau à des altitudes plus élevées pendant la formation des nuages.

La circulation longitudinale, d'autre part, se produit parce que l' océan a une capacité thermique spécifique plus élevée que la terre (et aussi une conductivité thermique , permettant à la chaleur de pénétrer plus loin sous la surface) et ainsi absorbe et libère plus de chaleur , mais la température change moins que la terre. Cela amène la brise de mer, air refroidi par l'eau, à terre le jour, et transporte la brise de terre, air refroidi par contact avec le sol, vers la mer pendant la nuit. La circulation longitudinale se compose de deux cellules, la circulation de Walker et El Niño/oscillation australe .

Temps

Comment Foehn est produit

Certains phénomènes plus localisés que le mouvement atmosphérique global sont également dus à la convection, notamment le vent et une partie du cycle hydrologique . Par exemple, un vent foehn est un vent descendant qui se produit du côté sous le vent d'une chaîne de montagnes. Il résulte du réchauffement adiabatique de l'air qui a fait chuter la majeure partie de son humidité sur les pentes exposées au vent. En raison des différents taux d'écoulement adiabatique de l'air humide et sec, l'air sur les pentes sous le vent devient plus chaud qu'à la même hauteur sur les pentes au vent.

Une colonne thermique (ou thermique) est une section verticale d'air ascendant dans les basses altitudes de l'atmosphère terrestre. Les thermiques sont créés par le réchauffement inégal de la surface de la Terre à partir du rayonnement solaire. Le Soleil réchauffe le sol, qui à son tour réchauffe l'air directement au-dessus de lui. L'air plus chaud se dilate, devient moins dense que la masse d'air environnante et crée une dépression thermique . La masse d'air plus léger s'élève et, ce faisant, elle se refroidit par expansion à des pressions d'air inférieures. Il cesse de monter lorsqu'il a refroidi à la même température que l'air ambiant. Un écoulement descendant entourant la colonne thermique est associé à un thermique. L'extérieur se déplaçant vers le bas est causé par l'air plus froid déplacé au sommet du thermique. Un autre effet météorologique provoqué par la convection est la brise de mer .

Les étapes de la vie d'un orage.

L'air chaud a une densité plus faible que l'air froid, donc l'air chaud s'élève dans l'air plus froid, comme les montgolfières . Les nuages ​​se forment lorsque l'air relativement plus chaud transportant de l'humidité monte dans l'air plus frais. Au fur et à mesure que l'air humide monte, il se refroidit, provoquant la condensation d' une partie de la vapeur d'eau contenue dans le paquet d'air ascendant . Lorsque l'humidité se condense, elle libère de l'énergie connue sous le nom de chaleur latente de condensation qui permet au paquet d'air ascendant de se refroidir moins que l'air environnant, continuant ainsi l'ascension du nuage. S'il y a suffisamment d' instabilité dans l'atmosphère, ce processus se poursuivra assez longtemps pour que des cumulonimbus se forment, qui supportent la foudre et le tonnerre. Généralement, les orages nécessitent trois conditions pour se former : de l'humidité, une masse d'air instable et une force de soulèvement (chaleur).

Tous les orages , quel que soit leur type, passent par trois stades : le stade de développement , le stade de maturité et le stade de dissipation . L'orage moyen a un diamètre de 24 km (15 mi). Selon les conditions présentes dans l'atmosphère, ces trois étapes mettent en moyenne 30 minutes à parcourir.

Circulation océanique

courants océaniques

Le rayonnement solaire affecte les océans : l'eau chaude de l'équateur a tendance à circuler vers les pôles , tandis que l'eau polaire froide se dirige vers l'équateur. Les courants de surface sont initialement dictés par les conditions de vent de surface. Les alizés soufflent vers l'ouest sous les tropiques et les vents d'ouest soufflent vers l'est aux latitudes moyennes. Ce modèle de vent applique une contrainte à la surface de l'océan subtropical avec une boucle négative à travers l' hémisphère nord , et l'inverse à travers l' hémisphère sud . Le transport de Sverdrup qui en résulte est vers l'équateur. En raison de la conservation du tourbillon potentiel causé par les vents se déplaçant vers les pôles à la périphérie ouest de la crête subtropicale et du tourbillon relatif accru des eaux se déplaçant vers les pôles, le transport est équilibré par un courant étroit et accéléré vers les pôles, qui s'écoule le long de la limite ouest de la bassin océanique, contrebalançant les effets de la friction avec le courant froid de frontière ouest qui provient des hautes latitudes. Le processus global, connu sous le nom d'intensification occidentale, fait que les courants à la limite ouest d'un bassin océanique sont plus forts que ceux à la limite est.

En se déplaçant vers les pôles, l'eau chaude transportée par un fort courant d'eau chaude subit un refroidissement par évaporation. Le refroidissement est entraîné par le vent : le vent se déplaçant sur l'eau refroidit l'eau et provoque également l' évaporation , laissant une saumure plus salée. Dans ce processus, l'eau devient plus salée et plus dense. et baisse de température. Une fois que la glace de mer se forme, les sels sont laissés hors de la glace, un processus connu sous le nom d'exclusion de la saumure. Ces deux processus produisent une eau plus dense et plus froide. L'eau à travers l' océan Atlantique nord devient si dense qu'elle commence à couler à travers une eau moins salée et moins dense. (Cette convection en pleine mer n'est pas sans rappeler celle d'une lampe à lave .) Ce courant descendant d'eau lourde, froide et dense devient une partie des eaux profondes de l'Atlantique Nord , un ruisseau allant vers le sud.

Convection du manteau

Une plaque océanique est ajoutée par l'upwelling (à gauche) et consommée au niveau d'une zone de subduction (à droite).

La convection du manteau est le mouvement lent et rampant du manteau rocheux de la Terre causé par des courants de convection transportant la chaleur de l'intérieur de la terre vers la surface. C'est l'une des 3 forces motrices qui font que les plaques tectoniques se déplacent à la surface de la Terre.

La surface de la Terre est divisée en un certain nombre de plaques tectoniques qui sont continuellement créées et consommées à leurs frontières de plaques opposées. La création ( accrétion ) se produit lorsque le manteau est ajouté aux bords croissants d'une plaque. Ce matériau ajouté à chaud se refroidit par conduction et convection de chaleur. Aux bords de consommation de la plaque, le matériau s'est contracté thermiquement pour devenir dense, et il s'enfonce sous son propre poids dans le processus de subduction dans une fosse océanique. Ce matériau subduit s'enfonce à une certaine profondeur à l'intérieur de la Terre où il est interdit de s'enfoncer davantage. La croûte océanique subductée déclenche le volcanisme.

L'effet de tirage

L' effet de cheminée ou effet de cheminée est le mouvement de l'air à l'intérieur et à l'extérieur des bâtiments, des cheminées, des cheminées de gaz de combustion ou d'autres conteneurs en raison de la flottabilité. La flottabilité est due à une différence de densité de l'air intérieur-extérieur résultant des différences de température et d'humidité. Plus la différence thermique et la hauteur de la structure sont importantes, plus la force de flottabilité est importante, et donc l'effet de cheminée. L'effet de cheminée favorise la ventilation naturelle et l'infiltration. Certaines tours de refroidissement fonctionnent sur ce principe ; de même, la tour solaire ascendante est un dispositif proposé pour générer de l'électricité sur la base de l'effet de cheminée.

Physique stellaire

Une illustration de la structure du Soleil et d'une étoile géante rouge , montrant leurs zones convectives. Ce sont les zones granuleuses dans les couches externes de ces étoiles.

La zone de convection d'une étoile est la plage de rayons dans laquelle l'énergie est transportée principalement par convection.

Les granules sur la photosphère du Soleil sont les sommets visibles des cellules de convection dans la photosphère, causées par la convection du plasma dans la photosphère. La partie montante des granules est située au centre où le plasma est le plus chaud. Le bord extérieur des granules est plus foncé en raison du plasma descendant plus froid. Un granule typique a un diamètre de l'ordre de 1 000 kilomètres et dure chacun 8 à 20 minutes avant de se dissiper. Sous la photosphère se trouve une couche de "supergranules" beaucoup plus gros, atteignant 30 000 kilomètres de diamètre, avec une durée de vie allant jusqu'à 24 heures.

Mécanismes

La convection peut se produire dans les fluides à toutes les échelles supérieures à quelques atomes. Il existe une variété de circonstances dans lesquelles les forces requises pour la convection surviennent, conduisant à différents types de convection, décrits ci-dessous. En termes généraux, la convection se produit en raison des forces corporelles agissant dans le fluide, telles que la gravité.

Convection naturelle

Cette image schlieren couleur révèle une convection thermique provenant de la conduction thermique d'une main humaine (en silhouette) vers l'atmosphère immobile environnante.

La convection naturelle , ou convection libre , se produit en raison de différences de température qui affectent la densité, et donc la flottabilité relative, du fluide. Les composants plus lourds (plus denses) tomberont, tandis que les composants plus légers (moins denses) monteront, entraînant un mouvement de fluide en vrac. La convection naturelle ne peut donc se produire que dans un champ gravitationnel. Un exemple courant de convection naturelle est la montée de la fumée d'un incendie. On peut le voir dans une casserole d'eau bouillante dans laquelle l'eau chaude et moins dense de la couche inférieure se déplace vers le haut en panaches, et l'eau froide et plus dense près du haut de la casserole coule également.

La convection naturelle sera plus probable et plus rapide avec une plus grande variation de densité entre les deux fluides, une plus grande accélération due à la gravité qui entraîne la convection ou une plus grande distance à travers le milieu de convection. La convection naturelle sera moins probable et moins rapide avec une diffusion plus rapide (diffusant ainsi le gradient thermique qui provoque la convection) ou un fluide plus visqueux (collant).

Le début de la convection naturelle peut être déterminé par le nombre de Rayleigh ( Ra ).

Notez que des différences de flottabilité au sein d'un fluide peuvent survenir pour des raisons autres que les variations de température, auquel cas le mouvement du fluide est appelé convection gravitationnelle (voir ci-dessous). Cependant, tous les types de convection flottante, y compris la convection naturelle, ne se produisent pas dans des environnements de microgravité . Tous nécessitent la présence d'un environnement qui subit une force g ( accélération appropriée ).

Convection gravitationnelle ou flottante

La convection gravitationnelle est un type de convection naturelle induite par des variations de flottabilité résultant de propriétés matérielles autres que la température. Cela est généralement dû à une composition variable du fluide. Si la propriété variable est un gradient de concentration, on parle de convection solutale . Par exemple, la convection gravitationnelle peut être observée dans la diffusion d'une source de sel sec vers le bas dans un sol humide en raison de la flottabilité de l'eau douce dans une solution saline.

La salinité variable dans l'eau et la teneur en eau variable dans les masses d'air sont des causes fréquentes de convection dans les océans et l'atmosphère qui n'impliquent pas de chaleur, ou bien impliquent des facteurs de densité de composition supplémentaires autres que les changements de densité dus à la dilatation thermique (voir circulation thermohaline ). De même, la composition variable à l'intérieur de la Terre qui n'a pas encore atteint une stabilité maximale et une énergie minimale (en d'autres termes, avec les parties les plus denses les plus profondes) continue de provoquer une fraction de la convection de la roche fluide et du métal en fusion à l'intérieur de la Terre (voir ci-dessous) .

La convection gravitationnelle, comme la convection thermique naturelle, nécessite également un environnement de force g pour se produire.

Convection à l'état solide dans la glace

On pense que la convection glaciaire sur Pluton se produit dans un mélange mou de glace d'azote et de glace de monoxyde de carbone . Il a également été proposé pour Europa et d'autres corps du système solaire externe.

Convection thermomagnétique

La convection thermomagnétique peut se produire lorsqu'un champ magnétique externe est imposé à un ferrofluide avec une susceptibilité magnétique variable . En présence d'un gradient de température, cela se traduit par une force de corps magnétique non uniforme, ce qui conduit à un mouvement de fluide. Un ferrofluide est un liquide qui devient fortement magnétisé en présence d'un champ magnétique .

La combustion

Dans un environnement d' apesanteur , il ne peut y avoir aucune force de flottabilité, et donc aucune convection possible, de sorte que les flammes dans de nombreuses circonstances sans gravité étouffent dans leurs propres gaz résiduaires. La dilatation thermique et les réactions chimiques entraînant la dilatation et la contraction des gaz permettent la ventilation de la flamme, car les gaz résiduaires sont déplacés par un gaz frais, frais et riche en oxygène. se déplace pour absorber les zones de basse pression créées lorsque l'eau d'échappement de la flamme se condense.

Modèles mathématiques de convection

Un certain nombre de termes ont été calculées adimensionnels pour décrire et prédire la convection, y compris le nombre Archimedes , nombre de Grashof , nombre de Richardson , et le nombre de Rayleigh .

Dans les cas de convection mixte (naturelle et forcée se produisant ensemble), on aimerait souvent savoir quelle part de la convection est due à des contraintes externes, telles que la vitesse du fluide dans la pompe, et quelle part est due à la convection naturelle se produisant dans le système .

Les grandeurs relatives du nombre de Grashof et du carré du nombre de Reynolds déterminent quelle forme de convection domine. Si , la convection forcée peut être négligée, alors que si , la convection naturelle peut être négligée. Si le rapport, connu sous le nom de nombre de Richardson , est d'environ un, alors la convection forcée et la convection naturelle doivent être prises en compte.

Voir également

Les références

Liens externes