Info

Les courants de convection en science, ce qu’ils sont et comment ils fonctionnent

Les courants de convection en science, ce qu’ils sont et comment ils fonctionnent

Les courants de convection sont des fluides en mouvement qui se déplacent car il existe une différence de température ou de densité dans le matériau.

Les particules dans un solide étant fixées à la 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 à 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 s'appelle convection naturelle ou convection libre. Si un fluide est distribué à l'aide d'un ventilateur ou d'une pompe, cela s'appelle Convection forcée. La cellule formée par les courants de convection est appelée un cellule de convection ouCellule de Bénard.

Pourquoi ils forment

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

En bref, les fluides chauds augmentent tandis que les fluides froids coulent. Sauf si une source d'énergie est 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 inclure:

  • La gravité
  • Tension superficielle
  • Différences de concentration
  • Champs électromagnétiques
  • Vibrations
  • Formation de liaison 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 les courants de convection dans l'eau bouillante dans une casserole. Ajoutez simplement quelques pois ou des bouts de papier pour suivre le flux actuel. La source de chaleur au fond de la casserole chauffe l'eau, ce qui lui donne plus d'énergie et accélère le mouvement des molécules. Le changement de température affecte également la densité de l'eau. Lorsque l'eau monte vers la surface, une partie de celle-ci a suffisamment 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, il monte donc.
  • Le vent est un exemple de courant de convection. La lumière du soleil ou la lumière réfléchie dégage de la chaleur, ce qui crée une différence de température qui fait bouger l'air. Les zones ombragées ou humides sont plus fraîches ou capables d'absorber la chaleur, ce qui ajoute à l'effet. Les courants de convection font partie des moteurs de la circulation mondiale de l'atmosphère terrestre.
  • La combustion génère des courants de convection. La seule exception est que la combustion dans un environnement en gravité zéro manque de flottabilité, de sorte que les gaz chauds ne montent pas naturellement, permettant ainsi à de l'oxygène frais d'alimenter la flamme. La convection minimale dans le zéro-g amène de nombreuses flammes à s'étouffer 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 entraînent des intempéries.
  • Le magma dans le manteau terrestre se déplace dans les courants de convection. Le noyau chaud chauffe le matériau situé au-dessus de lui, le faisant monter 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, alors il se déplace horizontalement et redescend.
  • L'effet de cheminée ou effet de cheminée décrit les courants de convection qui font passer les gaz dans les cheminées ou les carneaux. 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 vus dans la photosphère solaire sont le sommet 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.


Voir la vidéo: la tectonique des plaques : les courants de convection (Juin 2021).