Les courants de convection et leur fonctionnement

Les courants de convection sont des fluides qui se déplacent parce qu’il y a une différence de température ou de densité dans le matériau.

Comme les particules à l’intérieur d’un solide sont fixées en place, les courants de convection ne sont visibles que dans les gaz et les liquides. Une différence de température entraîne un transfert d’énergie d’une zone de haute énergie vers une zone de basse énergie.

La convection est un processus de transfert de chaleur. Lorsque des courants sont produits, la matière est déplacée d’un endroit à l’autre. Il s’agit donc également d’un processus de transfert de masse.

La convection qui se produit naturellement est appelée convection naturelle ou convection libre. Si un fluide circule à l’aide d’un ventilateur ou d’une pompe, on parle de convection forcée. La cellule formée par les courants de convection est appelée cellule de convection ou cellule de Bénard.

Pourquoi ils se forment

Une différence de température provoque le déplacement des particules, créant un courant. Dans les gaz et le plasma, une différence de température conduit également à des régions de densité plus ou moins élevée, où les atomes et les molécules se déplacent pour remplir les zones de basse pression.

En bref, les fluides chauds montent alors que les fluides froids descendent. À moins qu’une source d’énergie ne soit présente (par exemple, la lumière du soleil, la chaleur), les courants de convection ne se poursuivent que jusqu’à ce qu’une température uniforme soit atteinte.

Les scientifiques analysent les forces qui agissent sur un fluide pour catégoriser et comprendre la convection. Ces forces peuvent comprendre :

• Gravité
• Tension de surface
• Différences de concentration
• Champs électromagnétiques
• Vibrations
• Formation de liens entre les molécules

Les courants de convection peuvent être modélisés et décrits à l’aide d’équations de convection-diffusion, qui sont des équations de transport scalaire.

Exemples de courants de convection et d’échelle énergétique

• Vous pouvez observer les courants de convection dans l’eau en ébullition dans une casserole. Il suffit d’ajouter quelques petits pois ou des bouts de papier pour tracer le flux de courant. La source de chaleur au fond de la casserole chauffe l’eau, lui donnant plus d’énergie et faisant bouger les molécules plus rapidement. Le changement de température affecte également la densité de l’eau. Lorsque l’eau monte vers la surface, une partie de l’eau a assez d’énergie pour s’échapper sous forme de vapeur. L’évaporation refroidit suffisamment la surface pour que certaines molécules retombent au fond de la casserole.
• Un exemple simple de courants de convection est l’air chaud qui monte vers le plafond ou le grenier d’une maison. L’air chaud est moins dense que l’air froid, donc il s’élève.
• Le vent est un exemple de courant de convection. La lumière du soleil ou la lumière réfléchie dégage de la chaleur, créant une différence de température qui fait bouger l’air. Les zones ombragées ou humides sont plus fraîches, ou capables d’absorber de la chaleur, ce qui accentue l’effet. Les courants de convection font partie de ce qui détermine la circulation globale de l’atmosphère terrestre.
• La combustion génère des courants de convection. L’exception est que la combustion dans un environnement à gravité zéro manque de flottabilité, de sorte que les gaz chauds ne montent pas naturellement, ce qui permet à l’oxygène frais d’alimenter la flamme. La convection minimale en apesanteur fait que de nombreuses flammes s’étouffent dans leurs propres produits de combustion.
• Les circulations atmosphérique et océanique sont les mouvements à grande échelle de l’air et de l’eau (l’hydrosphère), respectivement. Les deux processus fonctionnent en conjonction l’un avec l’autre. Les courants de convection dans l’air et la mer entraînent des phénomènes météorologiques.
• Le magma du manteau terrestre se déplace dans des courants de convection. Le noyau chaud chauffe la matière qui se trouve au-dessus de lui, ce qui la fait monter vers la croûte, où elle se refroidit. La chaleur provient de la pression intense exercée sur la roche, combinée à l’énergie libérée par la désintégration radioactive naturelle des éléments. Le magma ne peut pas continuer à monter, alors il se déplace horizontalement et redescend.
• L’effet de cheminée décrit les courants de convection qui déplacent les gaz dans les cheminées ou les conduits. La flottabilité de l’air à l’intérieur et à l’extérieur d’un bâtiment est toujours différente en raison des différences de température et d’humidité. L’augmentation de la hauteur d’un bâtiment ou d’une cheminée augmente l’ampleur de l’effet. C’est le principe sur lequel reposent les tours de refroidissement.
• Les courants de convection sont évidents dans le soleil. Les granules visibles dans la photosphère du soleil sont les sommets des cellules de convection. Dans le cas du soleil et des autres étoiles, le fluide est un plasma plutôt qu’un liquide ou un gaz.