Convection 69825 31136956 2008-06-29T20:05:47Z Snipre 187752 Modif intro pour inclusion de la convection massique dans la définition La '''convection''' est un mode de transfert en [[phénomène de transfert]] se réalisant dans un milieu avec un déplacement global de matière, par opposition à la [[conduction thermique]] ou [[diffusion de la matière]]. La matière est advectée (''transportée''-''conduite'', mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des [[Pâtes alimentaires|pâtes]], l'eau se met en mouvement spontanément : les groupes de particules de fluide proches du fond de la [[casserole]] sont chauffés, se dilatent donc deviennent moins denses (cf. [[masse volumique]]) et montent ; ceux de la surface de la casserole sont refroidis par le contact de la surface avec un milieu moins chaud, se contractent donc gagnent en [[densité]] et plongent. Le [[transfert thermique]] est alors plus efficace que dans le cas de la [[conduction thermique]] ou du [[rayonnement]], qui sont les deux autres modes de transfert thermique. Ce phénomène physique très commun se produit dans de nombreux systèmes (casserole, manteau terrestre, étoile, ...) sous des formes diverses. == Définitions == === Convection naturelle === [[Image:Convection.gif|200px|right]] La '''convection naturelle''' est un phénomène de la [[mécanique des fluides]], qui se produit lorsqu'une zone change de [[température]] et qu'elle se déplace alors verticalement sous l'effet de la [[poussée d'Archimède]]. Le changement de température d'un fluide influe en effet sur sa [[masse volumique]], qui se trouve modifiée par rapport à la masse volumique du fluide environnant. De tels déplacement s'appellent des '''mouvements de convection'''. Ils sont à l'origine de certains phénomènes océanographiques ([[courant marin|courants marins]]), météorologiques ([[orage]]s), géologiques (remontées de [[magma (géologie)|magma]]) par exemple. === Convection forcée === La convection forcée est provoquée par une circulation artificielle ([[pompe]], [[turbine]]) d'un [[fluide]]. Le transfert est plus rapide que dans le cas de convection naturelle. Voici quelques exemples de convection forcée dans des appareillages : chauffage central avec accélérateur, chauffages électriques avec soufflerie, [[chauffe-eau solaire]] et four à convection de [[Cuisinière (électroménager)|cuisinière]]. Le corps humain a son propre système de convection forcée, la [[circulation sanguine]]. Dans un environnement à [[microgravité]] comme dans l'espace, la convection naturelle n'est pas possible puisque la poussée d'Archimède s'exerce par la différence de force graviationnelle sur des volumes de densité différentes. Ainsi la circulation de la chaleur doit être forcée dans une [[capsule spatiale]]. Une flamme aurait également de la difficulté à exister car les gaz de combustion resteraient près de la flamme, la coupant de l'apport d'oxygène. Il faut pour l'entretenir une circulation forcée pour éloigner ces gaz et amener oxygène<ref>{{en}}{{Lien web |url=http://www.straightdope.com/classics/a3_360.html |titre=If you lit a match in zero gravity, would it smother in its own smoke? |consulté le=2008-03-22 |auteur=Cecil Adams |éditeur=The Straight Dope}} </ref> === Convection non thermique === La convection thermique n'est pas le seul moyen de créer des mouvements verticaux dans des fluides. Ceux-ci vont se stratifier selon leur densité, à température uniforme, par l'effet de la gravité. Cette convection gravitationnelle se déroule comme la convection thermique avec les zones du fluide plus dense descendant et les partie moins denses poussées vers le haut. Cependant, il n'y a pas de variation de températures dans ces échanges. On peut citer la diffusion de la salinité dans une couche isothermale ou le déplacement du sel vers le bas dans une terre humide<ref>{{en}}{{Périodique |résumé=http://soil.scijournals.org/cgi/content/abstract/33/4/483 |titre=Steady Gravitational Convection Induced by a Line Source of Salt in a Soil |auteur=P. A. C. Raats |no=33 |pages=483-487 |date= 1969 |journal=Soil Science Society of America Journal}}</ref>. == Principe physique == Une particule de fluide chauffée à la base devient plus légère du fait de sa dilatation thermique et remonte sous l'action de la [[poussée d'Archimède]]. Arrivée au sommet de la couche, le fluide échange sa chaleur, se refroidit et s'alourdit. Il redescend alors et crée un transfert retour de chaleur. La première approche physique a été mise en place par [[Henri Bénard]], avec l'étude de la convection dans une couche de fluide soumise à un [[gradient]] de température vertical. Ces expériences sont connues sous le nom de [[cellules de Bénard]]. === La convection de Rayleigh-Bénard === [[Image:principe convection.png|thumb|250px|Description du cycle convectif naturel]] C'est le cas d'école étudié par [[Henri Bénard]] et [[Lord Rayleigh]]. On considère ici un système simple et on suppose un fluide newtonien, incompressible, dans l'[[approximation de Boussinesq]], c'est-à-dire que la seule propriété physique qui change est la [[masse volumique]]. Équations de conservation en jeu : * Conservation de la masse : <math>\nabla\cdot\mathbf{u}=0</math> ; * Conservation de la quantité de mouvement ; * Conservation de l'énergie. ==== Démarrage de la convection ==== Le transfert thermique dans une couche de fluide horizontale s'effectue par la [[conduction thermique]] et le mouvement du fluide. Quand on commence à imposer un gradient thermique entre les surfaces de la couche, un gradient thermique s'installe. Expérimentalement, on observe qu'au bout d'un certain temps, le fluide se met en mouvement spontanément : c'est le démarrage de la convection. Celui-ci est contrôlé par un nombre sans dimension : <math>Ra=\frac{\mathrm{Poussee\,d'Archimede}}{\mathrm{dissipation}}=\frac{\rho g\alpha \Delta T d^3}{\kappa \eta} </math> avec <math>\rho</math> la [[masse volumique]], <math>g</math> la force de gravité, <math>\alpha</math> le coefficient d'expansion thermique, <math>\Delta T</math> la différence de température entre le haut et le bas de la couche, <math>\kappa</math> la diffusivité thermique et <math>\eta</math> la viscosité dynamique caractéristique (à noter : ces valeurs peuvent être variables dans le fluide et il est important de vérifier que l'on utilise bien des grandeurs caractéristiques)<br/> Le démarrage s'effectue pour un nombre de Rayleigh de 657,5 pour des surfaces libres et 1770 pour les surfaces rigides. ==== Expression du flux de chaleur en convection (Loi de Newton) ==== Pour un écoulement à une température <math>T_\infty</math> autour d'une structure à une température uniforme <math>T_S</math> de surface S, l'expression du flux de chaleur en convection est la suivante : :<math>\phi=h S \big(T_S - T_\infty \big)</math> Où h est le [[coefficient d'échange thermique]] ==== Résolution du problème ==== L'[[analyse dimensionnelle]] permet de montrer que, en convection forcée, le [[nombre de Nusselt]] (permettant de calculer h puis le flux thermique par la formule indiquée ci-dessus) s'exprime en fonction du [[nombre de Reynolds]] et du [[nombre de Prandtl]]. :*<math>Nu_x=C{Re_x}^m Pr^n</math>, Nusselt local à une abscisse x :*<math>\overline{Nu_L}=C{Re_L}^m Pr^n</math>, Nusselt moyen sur une longueur L Où C, m et n dépendent des caractéristiques du fluide, de la géométrie et du régime d'écoulement. L'ingénieur dispose alors d'une série de formules empiriques établies sur des configurations typiques (plaque plane, écoulement autour d'un cylindre ...) afin d'en déduire le coefficient d'échange thermique. == Phénomènes convectifs== La convection crée des patrons cycliques de montée de l'air chaud et descente de l'air froid en rouleaux, cellules ou panaches. Ci-dessous est décrit une série de domaines où l'on retrouve ce phénomène. === Vie courante === [[Image:convection casserole.png|250px|thumb|right|Présentation de la convection dans une casserole]] * Le mouvement dans une [[casserole]] posée sur le [[feu]] s'explique par les différences de [[densité]] créées par le [[chauffage]]. Le fluide se met en mouvement spontanément quand la différence de [[température]] entre le haut et le bas de la couche d'eau atteint une valeur critique. * La fumée de cigarette ou de cheminée monte car la combustion crée une zone très chaude et très légère par rapport à l'environnement. Cette zone de fluide monte sous l'action de la [[poussée d'Archimède]]. * Le [[chauffage]] par le sol relève du même principe. La couche chaude à la base des pièces, du fait de la dilatation thermique, devient plus légère (relativement) et engendre une circulation dans la maison. === Technologie === * Le brûleur de la [[montgolfière]] réchauffe l'air au-dessus de lui et fait monter la [[nacelle]]. * L'eau du circuit secondaire de [[Réacteur nucléaire|réacteur]] des [[centrale nucléaire|centrales nucléaires]] est refroidie dans les grandes [[cheminée]]s en utilisant la capacité d'extraction de chaleur de la convection associée à la chaleur d'évaporation de l'eau particulièrement élevée. === Géophysique === ==== Météorologie ==== La convection est un phénomène fréquent dans l'atmosphère terrestre. Elle peut être déclenchée par un réchauffement du sol par le soleil, par le mouvement d'une [[masse d'air]] froid au-dessus d'un plan d'eau relativement chaude, ou par d'autres phénomènes qui provoquent le réchauffement relatif du bas d'une couche atmosphérique par rapport à son sommet. ====== Mouvements de Convection ====== Le mouvement convectif ascendant est causé par la différence de température entre la parcelle d'air soulevée et l'environnement plus froid en altitude. En effet, la parcelle se refroidit en montant mais selon le [[gradient thermique adiabatique]], soit moins que la température de l'environnement dans les cas instables. Elle est donc moins dense que l'environnement et subit une [[poussée d'Archimède]] vers le haut. Cette différence est l'[[énergie potentielle de convection disponible]] (EPCD). Elle sera plus importante si de la [[chaleur latente]] est relâchée par la condensation de vapeur d'eau contenue dans la parcelle. La vitesse de déplacement de la parcelle d'air sera proportionnelle à l'EPCD. Ce mouvement ascendant s'accompagne du mouvement descendant d'un volume correspondant d'air plus dense (plus froid) par le même principe. La masse de l'air descendant est supérieure à celle de l'air ascendant ; il y a donc une baisse du centre de gravité du système, interprétable comme une conversion d'[[Énergie potentielle gravitationnelle|énergie potentielle]] [[gravitation]]nelle, en [[énergie cinétique]]. Les quantités d'énergie impliquées dans cette conversion peuvent être considérables et se traduire par des mouvements ascendants et descendants importants, créant de la [[turbulence]]. S'il y a condensation, on assiste à la formation de nuages convectifs qui peuvent donner de forts coups de [[vent]], des [[précipitation]]s intenses et de la [[foudre]]. Si le [[Cisaillement (météorologie)|cisaillement des vents]] avec l'altitude est favorable à un transfert de [[Tourbillon (physique)|tourbillon]], on peut former des [[tornade]]s. Si le contenu en eau est très important, on peut obtenir des [[Pluie torrentielle sous orage|pluies torrentielles]] et même de la [[grêle]]. ====== Nuages convectifs ====== {{Article détaillé|Nuage|Averse|Orage}} [[Image:Cumulus clouds in fair weather.jpeg|thumb|Cumulus de beau temps]] On donne à la classe des nuages d'origine convective le nom générique de ''[[Cumulus (nuage)|cumulus]]''. Lorsque la couche [[Gradient thermique adiabatique#Atmosphère stable et atmosphère instable|d'air instable]] est peu étendue verticalement, on a formation de ''cumulus humilis'', dit cumulus de beau temps, synonymes d'[[Ascendance (météorologie)|air ascendant]]. Si l'EPCD augmente, on passe ensuite au ''cumulus mediocris'', puis au [[cumulus bourgeonnant|congestus]], le second produisant les averses. Si l'instabilité est plus grande on obtient le [[cumulonimbus]] ''calvus'', pour finir au roi des nuages le ''cumulonimbus cappilatus incus'' qui sont synonymes d'un orage mûr et possédant également un cycle [[subsidence|descendant]] de convection. Chacun de ces nuages sont appelés aussi des cellules convectives. Les orages peuvent être être formés de cellules convectives isolés et on parlera alors d'un [[Orage#Orage ordinaire et pulsatif|orage mono ou uni-cellulaire]] pour ceux peu importants et d'[[Orage#Orages supercellulaires|orages supercellulaires]] pour les autres. Les orages composés de plusieurs cellules convectives se classent en deux catégories, soit les [[Orage#Orages multicellulaires|orages multicellulaires]], pour ceux provenant d'une cellule initiale qui se clône, et les [[Système convectif de méso-échelle|systèmes convectifs de méso-échelle]] ([[ligne de grain]], [[Derecho]], [[complexe convectif de méso-échelle]], [[cyclone tropical]], etc.), pour celles qui s'unissent à partir d'une génèse distincte. Les nuages mentionnés ci-dessus se produisent en général dans une [[masse d'air]] assez uniforme ce qui donne une répartition aléatoire des cellules. Si un déclencheur comme un [[Front (météorologie)|front]], un[[ creux barométrique]], un soulèvement au-dessus d'un obstacle ou même le flux descendant des nuages passe dans le secteur, il peut servir à organiser la convection ou à donner une convection forcée. Des nuages convectifs peuvent également se former dans des systèmes plus stables. Par exemple, à l'avant d'une [[Dépression (météorologie)|dépression]] qui donne de la pluie continue, dite [[stratiforme]], on a souvent dans bandes de précipitations plus intenses associées à des zones convectives dans les niveaux moyens de l'[[Atmosphère (Terre)|atmosphère]]. On note alors des [[altocumulus]] castellanus, ou même de cumulonimbus à base haute, imbriqués dans la masse nuageuse. Finalement, la convection ne se produit pas seulement en été mais on la rencontre en toute saison. Ainsi, dans une [[tempête de neige]] les forts chutes se retrouvent souvent sous des cellules convectives imbriquées. Le cas des [[Bourrasque de neige|bourrasques de neige côtières]] est un autre exemple alors que de l'air très froid passe au-dessus d'étendues d'eau non gelée et donne des cumulus bourgeonnants de faible extension verticale mais très intenses. ====== Convection sans nuage ====== [[Image:Diagrama de formacion de la brisa-breeze.png|thumb|A: Brise de mer, B: Mer de terre]] La convection atmosphérique peut se produire sans nécessairement donner des nuages. En effet, elle n'est créée que par la structure thermique et si l'humiditié n'est pas suffisante dans la parcelle d'air en ascension, il n'y aura pas de [[condensation]]. La [[Régime de brise|brise de mer]] est un exemple typique de cellule convective en air clair. L'air se réchauffe plus rapidement sur terre que sur l'eau et une circulation thermique se développe durant la journée. Les [[Courant aérien#Courants verticaux|thermiques]] qui se développent le long des pentes des montagnes sont un autre exemple où la différence de réchauffement crée une cellule convective à petite échelle, alors que la génération des [[alizé]]s provient d'un boucle convectives à large échelle. On peut mentionner encore les [[Tourbillon de poussière|tourbillons de poussière]] et les vents générés dans un incendie. ====== Usage de la Convection en aéronautique ====== {{Article détaillé|Vol à voile|Météorologie aéronautique}} Sous sa forme bénigne, la convection peut donner aux [[planeur]]s et autres aéronefs non motorisés la poussée ascendante dont ils ont besoin pour se maintenir en vol. Les [[montgolfière]]s utilisent aussi la convection comme moyen de sustentation, en emprisonnant une quantité d'air chaud (moins dense que l'air environnant) à l'intérieur d'un ballon. Par contre, les forts mouvements verticaux, dans et autour des orages, sont à éviter car ils produisent de la [[turbulence]] intense. De plus, le [[Givre|givrage]] dans ces nuages est important, car les gouttes y sont en [[surfusion]], et la grêle va endommager les aéronefs. ==== Océanographie ==== {{Article détaillé|Circulation thermohaline|Courant marin}} [[Image:Circulacion termohalina.jpg|thumb|left|Circulation thermohaline]] [[Image:Gulf Stream water temperature.jpg|thumb|Le Gulf Stream (en orange et jaune) au large de la côte est des États-Unis (température en fausses couleurs)]] L'océan est animé de [[Courant marin|courants marins]] qui ont pour moteur la convection. Les eaux de surface réchauffées par le Soleil à l'équateur se déplacent en courants superficiels ayant une épaisseur jusqu'à 800 mètres sous l'action des vents. Le réchauffement a comme conséquence une évaporation en surface qui concentre le sel contenu dans l'eau et donc la salinité de ces courants. Ce sont d'abord les [[alizé]]s qui les poussent d'est en ouest puis, aux abords des continents, le courant remonte vers les hautes latitudes dans les vents généralement d'ouest. Les eaux se refroidissent ensuite à l'approche des [[Calotte polaire|calottes polaires]] et du fait de leur salinité, plongent au fond de l'océan. Elles terminent le cycle en retournant vers l'équateur. Cette convection océanique est dite aussi ''thermosaline'', car elle est liée à la température et à la salinité de l'eau de mer<ref name="Labadie">{{fr}}{{Lien web |url=http://pagesperso-orange.fr/maurice.labadie/filtemps/mails/23geolog.htm |éditeur=Éditions Atlas |date=1999 |auteur=Maurice labadie |titre=Courants de convection |consulté le=2008-03-22}}</ref>. Cependant, la boucle ne se limite pas à un bassin océanique mais plutôt encercle la Terre en plusieurs sous-boucles. L'eau chaude produit dans l'Atlantique équatorial se déplace vers l'Amérique du Nord avant de tourner vers l'Europe en surface dans le [[Gulf Stream]]. Elle plonge ensuite en profondeur et se dirige vers le sud de l'Afrique. Ce faisant, l'eau se réchauffe et le sel se dilue lentement, Il finit par remonter en surface au nord de l'océan Indien et du Pacifique. les eaux font un nouveau cycle en surface qui se termine le long de la côte ouest de l'Amérique et replongent en profondeur pour éventuellement resurgir dans l'Atlantique. Une boucle semblable se produit dans l'[[hémisphère sud]]. Le cycle complet de cette circulation thermohaline] prend, selon les estimés, de 600 à 800 ans à se boucler<ref name="Labadie"/>. Le rôle de ces boucles convectives est essentiel car il permet le transport de chaleur, libérée dans l'atmosphère, de l'équateur vers les pôles. Si ce transfert n'existait pas, il ferait plus chaud à l'équateur et plus froid aux hautes latitudes. Le Gulf Stream et le [[Kuro Shivo]] réchauffent ainsi les eaux respectivement situées au large de l'[[Europe]] et du [[Japon]]. La convection océanique joue aussi un rôle important dans le [[cycle du carbone]]. En effet, en plongeant les eaux marines entraînent une grande quantité de [[dioxyde de carbone]] (<math>CO_2</math>) qui a été capturé de l'atmosphère et qui y est dissous. Ce dioxyde de carbone est restitué en partie à l'atmosphère lorsque les eaux profondes refont surface<ref name="Labadie"/>. ==== Géologie ==== ===== Dans les volcans ===== Chambre magmatique, nuées ardentes. ===== Dans la lithosphère ===== Convection à petite échelle, déstabilisation. ===== Dans le manteau ===== {{Article détaillé|Convection mantellique}} La '''convection mantellique''' est un phénomène physique se produisant à l’intérieur du [[Manteau_(Terre)|manteau terrestre]]. Elle est considérée comme le moteur profond de la théorie de la [[tectonique des plaques]] mais le sujet est toujours en discussion. Soumises à une forte différence de température entre la base du manteau inférieur ([[Isotherme (ligne)|isotherme]] 3000°C environ) d'une part et la transition [[asthénosphère]]-[[lithosphère]] (isotherme 1330°C) d'autre part, les roches du [[manteau (Terre)|manteau]] développent un [[gradient]] de [[densité]] important. Les parties chaudes, moins denses, auront tendance à s'élever, tandis que les parties froides, plus denses, auront tendance à s'enfoncer. Si les forces liées à la [[poussée d'Archimède]] sont plusieurs ordre de grandeur supérieures aux forces opposées à l'élévation, une [[convection]] ''à l'état solide'' se met en place. Ce mécanisme est autorisé par le comportement [[ductile]] des roches en profondeur, qui permet au réseau cristallin de se déformer sans se briser ([[Lois de déformation#Fluage|fluage plastique]]). Le nombre de Rayleigh Ra, sans dimension, exprime le rapport des forces impliquées dans la convection, qui débute si Ra dépasse une valeur critique, caractéristique d'un milieu donné. Le tout s'effectuant sur une échelle de temps géologique (le million d'année), le manteau se comporte similairement à un fluide. ===== Dans le noyau externe ===== Plus profond encore, sous le manteau, se trouve le [[noyau planétaire|noyau terrestre]]. Il est composé d'une graine métallique (appelé aussi noyau interne, sorte d'agrégat de liquides solidifiés sous l'effet de la pression) entourée d'une épaisse coquille, métallique elle aussi mais demeurant à l'état liquide: le noyau externe. On peut considérer ici que le liquide contenu dans le noyau externe est confiné entre deux solides. Le noyau externe en question est animé de mystérieux mouvements de convection aux formes inhabituelles. Plusieurs phénomènes physiques de natures différentes (thermique, mécanique, magnétique) agissent de concert pour animer le noyau fluide. Dans un souci de simplification, nous présentons ces différentes causes séparément. La plus simple et la plus évidente d'entre toutes ces causes est certainement la [[poussée d'Archimède]] qui provoque des ascensions de parcelles dans le noyau fluide. Le noyau dans son ensemble se refroidit et cristallise lentement à l'interface entre le noyau interne et le noyau externe : de la chaleur et des éléments légers sont relargués par endroits à la base du fluide. Celui-ci, plus léger que son entourage (voir plus haut), se met naturellement à convecter. C'est une forme de convection dont les deux aspects thermiques et chimiques sont aussi importants l'un que l'autre. On parle de convection thermo-chimique. Deux autres forces viennent ensuite embellir la mécanique en déviant la trajectoire des parcelles fluides. Tout d'abord, la [[force de Coriolis]]. En effet, contrairement au cas du manteau qui l'entoure, la viscosité du fluide constituant le noyau externe est très faible (proche de celle de l'eau). Par conséquent, et puisque la coquille qui encapsule le fluide métallique est en rotation (jour-nuit-jour ...) le mouvement de convection décrit plus haut subit très fortement l'action de la force de Coriolis. Celle-ci devient dominante par rapport aux forces visqueuses et contraint le fluide à s'organiser en colonnes rotatives plus ou moins régulières. À ce stade on peut se représenter la convection dans le noyau en imaginant des parcelles de fluide ascendantes/descendantes convectant avec des trajectoires aux formes spiralées (?? image convection coquille rotation). Vient ensuite la force de [[Laplace]]. Ne l'oublions pas, le fluide considéré ici est métallique ! ([[fer]] + [[nickel]] + quelques éléments légers - link géochimie ?). C'est un très bon conducteur de l'électricité, sorte de fluide électrifié, qui est le siège de phénomènes hydro-magnétiques non élucidés à ce jour, notamment l'effet [[dynamo]] grâce auquel nous baignons dans un [[champ magnétique terrestre]]. Reste cependant une certitude, les phénomènes en question font naître dans le noyau des forces magnétiques suffisamment importantes (compte tenu de l'intensité du champ magnétique terrestre ambiant et de la vigueur de l'écoulement décrit plus tôt) pour modifier elles aussi à leur tour les mouvements de convection dont il est question ici. (image magnéto-convection ??). La convection dans le noyau externe semble alors se complexifier davantage. === Astrophysique === Mouvements dans les étoiles. == Voir aussi == * [[Transfert thermique]] {{Var met}} == Notes et références == {{Références}} [[Catégorie:Transfert thermique]] [[Catégorie:Mécanique des fluides]] [[Catégorie:Thermodynamique atmosphérique]] [[bg:Конвекция]] [[bs:Konvekcija]] [[ca:Convecció]] [[cs:Proudění tepla]] [[da:Konvektion]] [[de:Konvektion]] [[en:Convection]] [[es:Convección]] [[fa:همرفت]] [[fi:Konvektio]] [[gl:Convección]] [[hr:Konvekcija]] [[it:Convezione]] [[ja:対流]] [[ko:대류]] [[lt:Konvekcija]] [[lv:Konvekcija]] [[nl:Convectie]] [[nn:Konveksjon]] [[no:Konveksjon]] [[pl:Konwekcja]] [[pt:Convecção]] [[ru:Конвекция]] [[simple:Convection]] [[sk:Prúdenie tepla]] [[sv:Konvektion]] [[tr:Taşınım]] [[uk:Конвекційний потік]] [[zh:對流]]