Courants de convection en science, ce qu'ils sont et comment ils fonctionnent

Les courants de convection circulent du fluide qui se déplace parce qu'il y a une différence de température ou de densité dans le matériau.

Les particules d'un solide étant 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 d'énergie supérieure vers une zone d'énergie inférieure.

La convection est un processus de transfert de chaleur. Lorsque des courants sont produits, la matière est déplacée d'un endroit à un autre. C'est donc aussi un processus de transfert de masse.

La convection qui se produit naturellement est appelée convection naturelle ou convection gratuite. Si un fluide circule à l'aide d'un ventilateur ou d'une pompe, on l'appelle Convection forcée. La cellule formée par les courants de convection est appelée cellule de convection ou Cellule 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 tandis que les fluides froids coulent. À moins qu'une source d'énergie soit présente (par exemple, la lumière du soleil, la chaleur), les courants de convection ne continuent que jusqu'à ce qu'une température uniforme soit atteinte.

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

• La gravité
• Tension superficielle
• Différences de concentration
• Champs électromagnétiques
• Les vibrations
• Formation de liaisons entre 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 d'énergie

• Vous pouvez observer des courants de convection dans l'eau bouillante dans une casserole. Ajoutez simplement quelques pois ou morceaux de papier pour suivre le flux actuel. La source de chaleur au fond de la casserole chauffe l'eau, lui donnant plus d'énergie et accélérant le mouvement des molécules. Le changement de température affecte également la densité de l'eau. Au fur et à mesure que l'eau monte vers la surface, une partie de l'eau a suffisamment d'énergie pour s'échapper sous forme de vapeur. L'évaporation refroidit suffisamment la surface pour faire retomber certaines molécules vers le 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, il monte donc.
• Le vent est un exemple de courant de convection. La lumière du soleil ou la lumière réfléchie rayonne de la chaleur, créant une différence de température qui fait bouger l'air. Les zones ombragées ou humides sont plus fraîches ou peuvent absorber la chaleur, ajoutant à l'effet. Les courants de convection font partie de ce qui stimule la circulation mondiale de l'atmosphère terrestre.
• La combustion génère des courants de convection. L'exception est que la combustion dans un environnement sans gravité manque de flottabilité, de sorte que les gaz chauds ne montent pas naturellement, permettant à l'oxygène frais d'alimenter la flamme. La convection minimale en zéro-g provoque l'étouffement de nombreuses flammes dans leurs propres produits de combustion.
• La circulation atmosphérique et océanique est le mouvement à grande échelle de l'air et de l'eau (l'hydrosphère), respectivement. Les deux processus fonctionnent conjointement. Les courants de convection dans l'air et la mer conduisent à la météo.
• Le magma dans le manteau terrestre se déplace dans les courants de convection. Le noyau chaud chauffe le matériau au-dessus de lui, le faisant remonter vers la croûte, où il se refroidit. La chaleur provient de la pression intense sur la roche, combinée à l'énergie libérée par la désintégration radioactive naturelle des éléments. Le magma ne peut pas continuer à monter, il se déplace donc horizontalement et retombe.
• L'effet cheminée ou effet cheminée décrit les courants de convection qui déplacent les gaz à travers les cheminées ou les conduits de fumée. 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 pile augmente l'ampleur de l'effet. C'est le principe sur lequel reposent les tours de refroidissement.
• Les courants de convection sont évidents au soleil. Les granules visibles dans la photosphère du soleil sont les sommets des cellules de convection. Dans le cas du soleil et d'autres étoiles, le fluide est du plasma plutôt qu'un liquide ou un gaz.