Convection

Figure 1. Un séjour refroidisse la porte, car l'air chaud (flèche rouge) et moins dense s'élève et s'en échappe. Source: Wikimedia Commons. Genieclimatique / CC BY-SA (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)

Qu'est-ce que la convection?

La convection C'est l'un des trois mécanismes dans lesquels la chaleur est transférée d'une zone plus chaude à une zone plus froide. Il a lieu en raison du mouvement de la masse d'un liquide, qui peut être liquide ou un gaz. Dans tous les cas, un milieu matériel est toujours nécessaire pour que ce mécanisme puisse être donné.

Plus le mouvement du fluide en question est rapide, plus le transfert d'énergie thermique sera rapide entre les zones de température différente. Cela se produit en continu avec les masses d'air atmosphériques: la flottabilité est responsable des ascendants les plus chauds et moins denses tandis que le déclin le plus froid et le plus dense.

Un exemple de ceci est la pièce fermée de l'image, qui est immédiatement cool ci-dessous.

Types de convection

Convection naturelle et forcée

Figure 2. Exemples de convection forcée et de convection naturelle. Source: Cengel, et. Thermodynamique.

La convection peut être naturelle ou forcée. Dans le premier cas, le fluide se déplace par lui-même, comme lors de l'ouverture de la porte de la pièce, tandis que dans la seconde, il est forcé par un ventilateur ou une pompe, par exemple.

Diffusion et surveillance

Il peut également y avoir deux variantes: la diffusion et Soutien. Dans la diffusion, les molécules fluides se déplacent plus ou moins au hasard et la transmission de chaleur est lente.

D'un autre côté, dans le passé, une bonne quantité de pâte fluide est déplacée, qui peut être réalisée en forçant la convection avec un ventilateur, par exemple. Mais l'avantage du parvenu est qu'il est beaucoup plus rapide que la diffusion.

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Comment la chaleur est-elle transférée par convection?

Un modèle mathématique mathématique simple pour le transfert de chaleur à la convection est la loi de refroidissement de Newton. Considérez une surface chaude A, entourée d'air plus froid, afin que la différence de température soit petite.

Appelons cela la chaleur transférée et t en même temps. La vitesse à laquelle la chaleur est transférée est DQ / DT ou dérivée de la fonction Q (t) par rapport au temps.

Comme la chaleur est l'énergie thermique, ses unités dans le système international sont Joules (J), donc le taux de transfert est disponible en joules / seconde, qui sont des watts ou des watts (w).

Ce taux est directement proportionnel à la différence de température entre le chaud et le milieu, désigné comme Δt et aussi à la surface POUR de l'objet:

Δt = température de surface de l'objet - température loin de l'objet

La constante de proportionnalité est appelée H, quel est le Coefficient de transmission de la chaleur convection et est déterminé expérimentalement. Ses unités dans le système international (SI) sont w / m². K, mais il est habituel de le trouver en termes de degrés Celsius ou Celsius.

Il est important de noter que ce coefficient n'est pas une propriété fluide, car elle dépend de diverses variables, telles que la géométrie de surface, la vitesse du fluide et d'autres caractéristiques.

Combinant tout ce qui précède, mathématiquement la loi de refroidissement de Newton acquiert ce formulaire:

dq / dt = ha Δt

Application de la loi de refroidissement de Newton

Une personne se tient au milieu d'une pièce de 20 ° C, à travers laquelle une légère brise souffle. Quel est le taux de chaleur que la personne transmet à l'environnement par convection? Supposons que la surface exposée est 1.6 m² et la température de surface de la peau est de 29 ºC.

Fait: Le coefficient de transfert de chaleur par convection dans ce cas est de 6 W / M². ºC

Solution

La personne peut transmettre de la chaleur à l'air qui l'entoure, car elle est en mouvement lorsque vous souffrez la brise. Pour trouver le taux de transfert DQ / DT, les valeurs de l'équation de Newton pour le refroidissement sont simplement remplacées:

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dq / dt = 6 w / m². ºC x 1.6 m² X (29 ºC - 20 ° C) = 86.4 W.

Exemples de convection

Chauffer vos mains dans un feu

Il est courant de chauffer vos mains en s'approchant d'un feu ou d'un grille-pain chaud, car l'air entourant la source de chaleur est chauffé à son tour et se dilate, en hausse parce qu'il est moins dense. En circulation, cet air chaud s'enroule et chauffe vos mains.

figure 3. Une façon de chauffer vos mains est par le courant de convection provenant de l'air par le feu

Flux d'air sur la côte

Sur la côte, la mer est plus froide que la terre, donc l'air sur la terre est chauffé et monte, tandis que le plus froid arrive et est établi dans l'espace laissé par cet autre en ascendant.

C'est appelé cellule de convection Et c'est la raison pour laquelle il se sent plus frais quand il regarde la mer et que la brise souffle contre son visage par une chaude journée. La nuit, cela se produit au contraire, la brise fraîche vient de la terre.

Le cycle de l'eau

La convection naturelle se produit dans l'air de la côte océanique, en utilisant le cycle hydrologique, dans lequel l'eau est chauffée et évaporée grâce au rayonnement solaire. La vapeur d'eau ainsi formée monte, refroidisse et condense en formant des nuages, dont les masses augmentent et montent par convection.

En augmentant la taille des gouttes d'eau, il arrive un moment où l'eau est précipitée sous forme de pluies, solide ou liquide, selon la température.

Faire bouillir l'eau dans un récipient

Lorsque l'eau est placée dans la théière ou la casserole, les couches les plus proches du fond sont chauffées en premier, car la flamme ou la chaleur de la corne est plus proche. Ensuite, l'eau se dilate et sa densité diminue, monte donc et l'eau plus froide prend sa place au fond du récipient.

Peut vous servir: énergie mécanique: formules, concept, types, exemples, exercices Figure 4. Chauffage de l'eau à convection. Source: Wikimedia Commons. Utilisateur: Oni Lukos / CC BY-SA (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /).

De cette façon, toutes les couches circulent rapidement et toute la masse d'eau est chauffée. Ceci est un bon exemple de surveillance.

Génération de vent

La convection dans les masses d'air, avec le mouvement de rotation de la Terre, produit des vents, car l'air froid se déplace et circule sous l'air chaud, créant divers courants appelés courants de courants de convection.

Courants océaniques

L'eau se comporte de manière similaire à la façon dont l'air fait dans l'atmosphère. Les eaux plus chaudes sont presque toujours proches de la surface, tandis que les eaux les plus froides sont plus profondes.

Effet dinamo

Il se produit dans le noyau fondu de l'intérieur de la planète, où il est combiné avec le mouvement de rotation de la Terre, générant des courants électriques qui donnent naissance au champ magnétique de la Terre.

Transmission d'énergie à l'intérieur des étoiles

Des étoiles comme le soleil sont d'énormes sphères de gaz. La convection est un mécanisme efficace de transport d'énergie là-bas, car les molécules gazeuses ont suffisamment de liberté pour se déplacer entre les zones à l'intérieur des étoiles.

Applications de convection

air conditionné

La climatisation est placée près du toit des pièces, de sorte que l'air refroidi, qui est plus dense, descend et se refroidit rapidement du sol.

Échangeurs de chaleur

Il s'agit d'un appareil qui permet la transmission de la chaleur d'un fluide à l'autre et est le principe de fonctionnement des climatiseurs et les mécanismes de refroidissement du moteur de la voiture, par exemple.

Insulateurs thermiques en construction

Ils sont fabriqués en combinant des plaques de matériau isolant et en ajoutant des bulles d'air à l'intérieur.

tours de refroidissement

Également appelés tours de refroidissement, ils servent à jeter la chaleur produite par les centrales nucléaires, les raffineries de pétrole et d'autres installations industrielles diverses, au lieu de le faire pour atterrir ou l'eau.

Les références

1. Giambattista, un. 2010. La physique. 2e. Élégant. McGraw Hill.
2. Gómez, e. Conduite, convection et rayonnement. Récupéré de: Eltamiz.com.
3. Nathénoo. Applications thermiques. Récupéré de: cinehenao.Wordpress.com.
4. SERAY, R. Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Élégant. Cengage Learning.
5. Wikipédia. Convection. Récupéré de: dans.Wikipédia.org.
6. Wikipédia. Convection thermique. Récupéré de: froid.Wikipédia.org.