Convection vs conduction
Convection vs conduction
En conduction thermique , l’ énergie est transférée sous forme de chaleur, en raison de la migration d’électrons libres ou d’ ondes de vibration du réseau ( phonons ). Il n’y a pas de mouvement de masse dans la direction du flux d’énergie. Le transfert de chaleur par conduction dépend de la «force» motrice de la différence de température.
En général, la convection est soit le transfert de masse, soit le transfert de chaleur dû au mouvement en vrac de molécules dans des fluides tels que des gaz et des liquides.
La conduction et la convection sont similaires en ce que les deux mécanismes nécessitent la présence d’un milieu matériel (par rapport au rayonnement thermique). Par contre, ils sont différents en ce que la convection nécessite la présence d’un mouvement fluide.
Il faut souligner qu’à la surface, le flux d’énergie se produit uniquement par conduction, même dans la conduction. En effet, il y a toujours une fine couche de film fluide stagnante sur la surface de transfert de chaleur. Mais dans les couches suivantes, il se produit des mouvements de conduction et de diffusion-masse au niveau moléculaire ou au niveau macroscopique. En raison du mouvement de masse, le taux de transfert d’énergie est plus élevé. Plus la vitesse de déplacement de la masse est élevée, plus la couche de film de fluide stagnant sera fine et plus le débit de chaleur sera élevé.
Il faut noter que l’ ébullition nucléée à la surface perturbe efficacement cette couche stagnante et qu’elle augmente donc considérablement la capacité d’une surface à transférer de l’énergie thermique à un fluide en vrac.
Comme il a été écrit, le transfert de chaleur à travers un fluide s’effectue par convection en présence d’un mouvement de masse et par conduction en l’absence de celui-ci. Par conséquent, la conduction thermique dans un fluide peut être considérée comme le cas limite de la convection, correspondant au cas du fluide au repos.
Convection comme conduction avec mouvement fluide
Certains experts ne considèrent pas la convection comme un mécanisme fondamental du transfert de chaleur car il s’agit essentiellement de la conduction de la chaleur en présence d’un mouvement de fluide. Ils considèrent qu’il s’agit d’un cas particulier de conduction thermique , appelé « conduction avec mouvement fluide ». D’autre part, il est pratique de reconnaître la convection en tant que mécanisme de transfert de chaleur séparé, malgré les arguments valables indiquant le contraire.
Qu’est-ce que la conduction
La conduction thermique , également appelée conduction thermique , se produit à l’intérieur d’un corps ou entre deux corps en contact sans implication de flux massique et de mélange. C’est l’échange microscopique direct de l’énergie cinétique des particules à travers la frontière entre deux systèmes. Le transfert de chaleur par conduction dépend de la «force» motrice de la différence de température et de la conductivité thermique (ou de la résistance au transfert de chaleur). La conductivité thermique dépend de la nature et des dimensions du milieu de transfert de chaleur. Tous les problèmes de transfert de chaleur impliquent la différence de température , la géométrieet les propriétés physiques de l’objet étudié. Dans les problèmes de transfert de chaleur par conduction, l’objet étudié est généralement un solide.
Microscopiquement, ce mode de transfert d’énergie est attribué au flux d’électrons libres de niveaux d’énergie plus élevés à plus bas, aux vibrations du réseau et aux collisions moléculaires . Considérons un bloc de pierre à haute température, composé d’atomes qui oscillent intensément autour de leur position moyenne. Aux basses températures , les atomes continuent d’osciller, mais avec moins d’intensité . Si un bloc de pierre plus chaud est mis en contact avec un bloc plus froid, les atomes oscillant intensément au bord du bloc le plus chaud dégagent son énergie cinétique aux atomes les moins oscillants au bord du bloc froid. Dans ce cas, il y a un transfert d’énergie entre ces deux blocs et la chaleur s’écoule du bloc le plus chaud vers le bloc plus froid par ces vibrations aléatoires. La vision moderne consiste à attribuer le transfert d’énergie aux ondes de réseau induites par le mouvement atomique. Dans un isolateur électrique, le transfert d’énergie se fait exclusivement via ces ondes de réseau. Dans un conducteur, cela est également dû au mouvement de translation des électrons libres.
Loi de Fourier de la conduction thermique
Les processus de transfert de chaleur peuvent être quantifiés en termes d’équations de taux appropriées. L’équation de vitesse dans ce mode de transfert de chaleur est basée sur la loi de Fourier de la conduction thermique . Cette loi stipule que le taux de transfert de chaleur à travers un matériau est proportionnel au gradient négatif de la température et de la zone, perpendiculairement à ce gradient, à travers lequel la chaleur circule. Sa forme différentielle est:
Qu’est-ce que la convection
En général, la convection est soit le transfert de masse soit le transfert de chaleur dû au mouvement massif des molécules dans les fluides tels que les gaz et les liquides. Bien que les liquides et les gaz ne soient généralement pas de très bons conducteurs de chaleur, ils peuvent transférer la chaleur assez rapidement par convection .
La convection a lieu par advection , diffusion ou les deux. La convection ne peut pas avoir lieu dans la plupart des solides car ni diffusion importante de la matière ni flux de courant en vrac ne peuvent avoir lieu. La diffusion de la chaleur a lieu dans des solides rigides, mais c’est ce qu’on appelle la conduction thermique .
Le processus de transfert de chaleur entre une surface et un fluide s’écoulant en contact avec elle est appelé transfert de chaleur par convection . En ingénierie, le transfert de chaleur par convection est l’un des principaux mécanismes de transfert de chaleur . Lorsque la chaleur doit être transférée d’un fluide à un autre à travers une barrière, la convection est impliquée des deux côtés de la barrière. Dans la plupart des cas, la principale résistance au flux de chaleur se fait par convection. Le transfert de chaleur par convection a lieu à la fois par diffusion thermique (le mouvement aléatoire des molécules de fluide) et par advection, dans laquelle la matière ou la chaleur est transportée par le mouvement à plus grande échelle des courants dans le fluide.
Le transfert de chaleur par convection est plus difficile à analyser que le transfert de chaleur par conduction car aucune propriété unique du milieu de transfert de chaleur, telle que la conductivité thermique , ne peut être définie pour décrire le mécanisme. Le transfert de chaleur par convection est compliqué par le fait qu’il implique un mouvement de fluide ainsi qu’une conduction de chaleur . Le transfert de chaleur par convection varie d’une situation à l’autre (selon les conditions d’écoulement du fluide), et il est fréquemment couplé avec le mode d’écoulement du fluide . En convection forcée, le taux de transfert de chaleur à travers un fluide est beaucoup plus élevé par convection que par conduction.
Loi de Newton sur le refroidissement
Malgré la complexité de la convection , le taux de transfert de chaleur par convection est proportionnel à la différence de température et est commodément exprimé par la loi de Newton du refroidissement , qui stipule que:
Le taux de perte de chaleur d’un corps est directement proportionnel à la différence de température entre le corps et son environnement à condition que la différence de température soit petite et que la nature de la surface rayonnante reste la même.
Notez que, ΔT est donné par la température de surface ou de paroi , T paroi et la température de masse , T ∞ , qui est la température du fluide suffisamment éloignée de la surface.
Exemple – Convection vs Conduction
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