Les courants de convection
Le mouvement résultant du remplacement continu du fluide chauffé à proximité de la source de chaleur par le fluide de refroidissement le plus proche est appelé courant de convection naturelle , et le transfert de masse et de chaleur amélioré grâce à ce courant de convection naturel est appelé masse de convection naturelle et transfert de chaleur .
Les courants de convection sont générés par les différences de densité dans le fluide dues aux gradients de température. Les courants de convection sont associés à la convection naturelle , dans laquelle tout mouvement de fluide se produit par des moyens naturels tels que la flottabilité. En convection naturelle, la matière et la chaleur sont déplacées d’un endroit à un autre. Les courants de convection ont beaucoup attiré l’attention des chercheurs en raison de leur présence tant dans la nature que dans les applications d’ingénierie.
Dans la nature, les courants de convection formés par l’air s’élevant au-dessus de la terre ou de l’eau réchauffées par le soleil sont une caractéristique majeure de tous les systèmes météorologiques. Des courants de convection ont également été observés dans le panache ascendant d’air chaud provenant du feu, de la tectonique des plaques et de la circulation océanique.
Création de courants de convection
La création de courants de convection repose sur trois hypothèses physiques:
- Présence d’une source de chaleur . Une source de chaleur est nécessaire car les courants de convection sont générés par les différences de densité dans le fluide dues aux gradients de température. En convection naturelle, le fluide entourant une source de chaleur reçoit de la chaleur et, par conséquent, la dilatation thermique devient moins dense et augmente. La dilatation thermique du fluide joue un rôle crucial. En d’autres termes, les composants plus lourds (plus denses) vont tomber, alors que les composants plus légers (moins denses) augmentent, entraînant un mouvement de fluide en vrac.
- Présence d’une accélération appropriée. La convection naturelle ne peut se produire que dans un champ gravitationnel ou en présence d’une autre accélération appropriée, telle que l’accélération, la force centrifuge et la force de Coriolis. La convection naturelle ne fonctionne pas essentiellement dans l’orbite de la Terre. Par exemple, dans la station spatiale internationale en orbite, d’autres mécanismes de transfert de chaleur sont nécessaires pour éviter la surchauffe des composants électroniques.
- Géométrie correcte . La présence et la magnitude de la convection naturelle dépendent également de la géométrie du problème. La présence d’un gradient de densité de fluide dans un champ gravitationnel ne garantit pas l’existence de courants de convection naturelle. Ce problème est illustré dans la figure suivante, où un fluide est entouré de deux grandes plaques horizontales de température différente (T supérieure T inférieure ).
- Dans le cas A, la température de la plaque inférieure est supérieure à celle de la plaque supérieure. Dans ce cas, la densité diminue dans la direction de la force gravitationnelle. Cette géométrie induit une circulation de fluide et le transfert de chaleur se produit via une circulation naturelle . Le fluide le plus lourd descendra, se réchauffant au cours du processus, tandis que le fluide le plus léger augmentera en refroidissant.
- Dans le cas B, la température de la plaque inférieure est inférieure à celle de la plaque supérieure. Dans ce cas, la densité augmente dans la direction de la force de gravitation. Cette géométrie conduit à des conditions stables, à un gradient de température stable et n’induit pas de circulation de fluide. Le transfert de chaleur se fait uniquement par conduction thermique.
Courants de convection – Circulation atmosphérique
L’un des phénomènes les plus importants pour le climat de la Terre est la circulation atmosphérique , qui est le mouvement à grande échelle de l’air, et est un moyen par lequel l’énergie thermique (avec la circulation océanique) est distribuée à la surface de la Terre . La circulation atmosphérique de la Terre varie d’année en année, mais la structure à grande échelle de sa circulation reste assez constante.
La circulation atmosphérique est une conséquence de l’illumination de la Terre par le Soleil et des lois de la thermodynamique . La circulation atmosphérique peut être considérée comme un moteur thermique entraîné par l’énergie du Soleil, et dont le puits d’énergie, en fin de compte, est la noirceur de l’espace. De ce point de vue, les éoliennes sont également alimentées par le soleil.
Courants de convection – Colonne thermique
Un autre courant de convection important , qui se forme dans l’atmosphère, est une colonne thermique . La colonne thermique est une colonne d’air montant dans les basses altitudes de l’atmosphère terrestre, une forme de courant ascendant atmosphérique. Les colonnes thermiques sont créées par le chauffage inégal de la surface de la Terre par le rayonnement solaire et sont un exemple de convection naturelle atmosphérique.
Le soleil réchauffe le sol, qui à son tour réchauffe l’air directement au-dessus. L’air chaud plus près de la surface se dilate et devient moins dense que l’air environnant. L’air plus léger monte et se refroidit en raison de son expansion dans la pression inférieure à des altitudes plus élevées. Il cesse de monter lorsqu’il s’est refroidi à la même température que l’air ambiant. La terre sombre, les zones urbaines et les routes sont de bonnes sources de colonnes thermiques .
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