Qu’est-ce que la convection thermique ?
Convection thermique : définition
En mécanique des fluides, la convection est un transfert d’énergie thermique qui s’accompagne d’un transport de la matière à l’état de fluide. Ce fluide peut être un gaz ou un liquide. La convection induit un déplacement global de la matière. Le mouvement de la matière se fait de manière verticale, de haut en bas ou de bas en haut. Les zones du fluide plus denses descendent, tandis que les parties moins denses montent. La convection thermique désigne également le transfert thermique occasionné entre un fluide en mouvement et une paroi solide. Il existe deux types de convection : la convection naturelle et la convection forcée.
Quelques exemples de convection thermique
L’exemple le plus courant et facilement explicable de convection thermique est le mouvement de l’eau dans une casserole d’eau que l’on chauffe. L’eau chaude qui est moins dense monte par le centre. Quand celle-ci touche la surface, en contact avec l’air froid du dessus, l’eau perd en température et devient plus dense. Elle descend alors par les côtés. Un autre exemple parlant est celui de la fumée, de cigarette ou de cheminée. La combustion, à l’extrémité de la cigarette ou des bûches, provoque une zone à haute température dont la densité est très basse par rapport à l’air qui se trouve autour. Le fluide se met alors à monter sous l’effet de la poussée d’Archimède. Un autre exemple significatif est celui de la lampe à lave. Un amas de cire est chauffé par le fond. Lorsque sa densité devient inférieure à celle du fluide environnant, la cire se met à monter. Au sommet, là où la cire va rencontrer une surface froide, elle gagne en densité et redescend.
Les différents types de convections thermiques
La convection naturelle
La convection naturelle – aussi appelée libre – ne concerne que les cas où les mouvements du fluide sont occasionnés par des fluctuations de masse volumique. Ces gradients de masse volumique – que l’on peut définir comme des taux de variation spatiale – constituent le moteur de l’écoulement du fluide. Ce dernier provoque alors le transfert de chaleur à l’environnement. Pour le dire autrement et plus synthétiquement, on parle de convection naturelle quand le mouvement du fluide se fait de lui-même par suite d’une anomalie de masse volumique d’origine thermique.
La convection forcée
À l’inverse de la convection naturelle, la convection forcée est suscitée par un intervenant extérieur comme une turbine ou une pompe entrainant un mélangeur industriel par exemple. La circulation du fluide est alors artificielle. On peut citer comme exemple un chauffage électrique avec soufflerie où l’air est chauffé grâce à son passage à travers une résistance électrique. C’est aussi le cas des sèche-cheveux ou des fours à convection de nos cuisines. On soulignera ici que la convection forcée est utilisée dans de nombreux domaines industriels. Pour en savoir plus sur les échangeurs thermiques, n’hésitez pas à consulter notre page consacrée à leurs différents types et à leurs modes de fonctionnement.
L’équation du phénomène de convection thermique
Voyons maintenant l’équation qui permet de calculer le phénomène de convection thermique. En premier lieu, intéressons-nous aux symboles présents dans l’équation pour nous permettre de la comprendre. Dans la formule de la convection thermique, on trouve :
- λ qui traduit la conductivité thermique du fluide.
- ⍴ qui désigne la masse volumique du fluide.
- cp qui identifie la capacité thermique massique du fluide.
- T qui marque la température du fluide.
- u qui indique la vitesse du fluide.
- φ qui caractérise la densité du flux thermique.
En deuxième lieu, pour aboutir à la mise en équation de la convection thermique, il faut additionner la formule de la diffusion de chaleur au sein du fluide (loi de Fourier) et celle de l’advection de chaleur dans le fluide.
La diffusion de la chaleur (loi de Fourier) s’inscrit ainsi :
L’advection de la chaleur de cette manière :
Enfin, voici la mise en équation de la convection thermique :
