Je ne comprends pas la convection

[Casper75]

Bonjour,
Je comprend la notion de transfert thermique par rayonnement et par conduction.

Mais je ne comprend pas que la convection soit cité comme un transfert thermique. C’est un déplacement de gaz.
Le deplacement de gaz qu’il soit du ou non a la chaleur, va accelerer l’échange par conduction.

Une cuillère de soupe chaude creer un courant d’air ascendant qui va accelerer l’échange par conduction, en renouvellant l’air frais en contact avec la cuillère. Mais si je souffle dessus il se passe exactement la même chose.

Alors en quoi la convection est un transfert de chaleur ?

Merci
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[Deedee81]

Salut,

Alors en quoi la convection est un transfert de chaleur ?

Par "pure" conduction, sans convection, il faut que la chaleur traverse toute l'épaisseur du fluide.
Tandis que par convection, la chaleur est transportée de la source chaude à la source froide en même temps que le fluide (et là, sur une distance plus courte, le transfert se fera par conduction, ou rayonnement).

La convection est d'ailleurs un mécanisme très efficace de transfert de chaleur.

[coussin]

La conduction est régie par une équation de diffusion qui devient, c'est assez "célèbre", extrêmement inefficace dès qu'il s'agit de diffuser sur une longue distance. Le transport de chaleur par conduction est donc extrêmement inefficace sur de longues distances. Le transport par convection est un tout autre phénomène. C'est en fait le mécanisme le plus efficace pour transporter de la chaleur d'un point A à un point B.

[Casper75]

D’accord, donc la convection n’est qu’un accélerateur de conduction et non pas un mode de transfert en soit ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[coussin]

D’accord, donc la convection n’est qu’un accélerateur de conduction et non pas un mode de transfert en soit ?

Pas du tout. Ce sont deux processus différents.
La convection n'obéit pas à une équation de diffusion et la conduction n'obéit pas à une équation de Navier-Stockes.

[RomVi]

Bonjour

Effectivement la convection est un cas particulier de la conduction, appliquée aux fluides en mouvement. D'ailleurs les régressions qui permettent de résoudre des problèmes de convection utilisent les mêmes équations que la conduction.
La convection n'est plus ni moins efficace que la conduction (sous entendue dans un solide ) : La comparaison est impossible puisque cela s'applique à des cas différents.

[Deedee81]

Salut,

Tiens, c'est rare qu'on ne soit pas d'accord nous deux

La comparaison est impossible puisque cela s'applique à des cas différents.

C'est vrai qu'il est difficile de mesurer la pure conduction dans un gaz sans provoquer la convection

Mais tu peux mesurer la conduction de différentes substances fluides ou solides (avec des volumes faibles et des gradients thermiques horizontaux faibles pour empêcher la convection), le coefficient de conductivité thermique.
Puis tu prends des substances solides (donc sans convection) et fluide avec convection et même coefficient de conductivité (ou très proche).
Et là, y a pas photo, la convection donne un transfert de chaleur beaucoup plus élevé.
Le rayonnement lui ne devient prépondérant qu'à forte température (augmentation en T^4), la conduction est presque toujours l'effet minoritaire (sauf à basse température et sans convection où il domine. Par exemple dans les expériences avec les superfluides, l'effet casse bonbons, c'est la conductivité et les très faibles capacité calorifique. Un rien fout en l'air la moindre expérience).

Et je ne suis pas non plus d'accord de dire que la convection est un cas particulier de la conduction thermique. Par conduction on ne veut pas dire "transfert de chaleur" mais on parle d'un phénomène physique bien précis et très différent de la convection. Et non, les équations sont très différentes (même si là aussi, le fait que les deux phénomènes soient souvent pris en compte nécessite d'utiliser des équations plus générales combinant les deux. Mais Fourier et Navier-Stokes, désolé, mais ce n'est pas du tout les mêmes équations).

[invite6dffde4c]

...
C'est vrai qu'il est difficile de mesurer la pure conduction dans un gaz sans provoquer la convection
...

Bonjour Deedee81.
Il suffit de mettre la plaque chaude en haut et la plaque froide en bas.
Cordialement,

[Deedee81]

Ah oui, tout bêtement. Merci,

[obi76]

Bonjour,

la convection n'est effectivement pas le meme mécanisme que la conduction. La conduction est un mécanisme d'ordre 2, la convection d'ordre 1 (déjà).
En fait ce qui est piégeux c'est l'échelle à laquelle on regarde le phénomène. En vue très rapprochée, les deux phénomènes sont bien distincts, c'est entre autre pour ça que dans l'épaisseur d'un double vitrage, il ne faut pas qu'une convection naturelle se mette en place, sinon ça réduirait considérablement l'efficacité thermique de la vitre. Donc la conduction est majoritaire, la convection très faible .
Si vous prenez un sèche cheveux, la convection thermique est majoritaire, la conduction très faiblarde.

Le problème, c'est si vous regardez à "grande" échelle (type météorologie), dans ce cas, la convection locale (turbulente) revient dans les équations à une conduction (terme d'ordre 2). Donc phénoménologiquement, la convection par les structures turbulentes agit COMME une conduction, avec un coeff plus grand, mais du à la convection locale.

[coussin]

Obi, quand tu parles d'ordre 1 et 2, dans quel sens est-ce?

[obi76]

Le degré de dérivation dans les équations.

[obi76]

(Ce qui veut dire que l ordre de résolution des schémas doivent obligatoirement être d ordre 1 et 2 pour chaque terme respectivement)

[RomVi]

Bonjour

Salut,

Tiens, c'est rare qu'on ne soit pas d'accord nous deux

Mon message était un peu un pavé dans la mare, mais ce n'est pas inexact non plus.
Imaginons une plaque chauffante sur laquelle on place une feuille de cuivre. On dépose une barre de cuivre sur cette feuille et on démarre la plaque : La barre va chauffer par effet de conduction.
On déplace la barre doucement sur la feuille en la faisant glisser, de façon à la chauffer lors du déplacement. Je pense que tout le monde est d'accord pour dire qu'il s'agit encore d'un problème de conduction.
On coupe la barre en carrés, de plus en plus petits, jusqu'à faire de la poussière de cuivre que l'on déplace sur la feuille de cuivre. Il s'agit toujours de conduction, puisque l'on a affaire à des solides en contact, même si des mouvements apparaissent au sein de la poudre, ce qui renouvelle constamment les "grains" en contact direct avec la feuille de cuivre.
Continuons à diviser encore les particules de cuivre jusqu'à en faire des atomes dissociés (il s'agit d'une expérience de pensée, inutile de venir clamer que c’est impossible). A quel moment la taille des morceaux de cuivre devient trop petite pour parler de conduction et devenir subitement de la convection ?

De la même façon un liquide en mouvement échange de la chaleur avec une surface, à travers une couche immobile que l'on appelle couche limite. Le flux de chaleur échangé obéit a la loi de Fourrier, à travers cette couche.

En réalité la distinction entre convection et conduction tient surtout une raison "scolaire". Pour la plupart des gens qui ont abordé ces phénomène conduction = phénomène transitoire et convection = phénomène établi, avec les lois qui en découlent. Pourtant dans la vraie vie on rencontre fréquemment des problèmes de conduction en régime établi, et de convection transitoire.

[coussin]

Bah c'est la définition d'un fluide dans le contexte de la mécanique des fluides. Y a une histoire d'homogénéisation là-dessous, mais je ne suis pas spécialiste. Un milieu granulaire, c'est pas vraiment un fluide.

Arrêtons de tourner autour du pot : on a d'un côté l'équation de la chaleur, une équation de diffusion. Et de l'autre l'équation de Navier-Stockes. Deux équations fondamentalement différentes (cf message d'obi) pour deux processus différents.

Je ne sais pas à quelle équation obéissent les milieux granulaires (ça doit être le cas limite de l'homogénéisation, limite dans le sens où on peut plus trop le faire justement).

[RomVi]

Non justement, il n'y a pas de distinction marquée. Dans le cas d'une convection nettement forcée (de l'air qui circule a grande vitesse dans un tube chaud) la dilatation du fluide ne joue plus, on a exclusivement une conduction à travers une couche limite vers une masse à température homogène.

[coussin]

Ok, je ne suis pas d'accord. La distinction entre convection et conduction me semble évidente. On peut s'amuser à trouver des situations où cette distinction est plus floue mais ça reste anecdotique.

[RomVi]

La nature a horreur du vide... au delà de 10 mètres.

Si la distinction n'est pas possible ce n'est pas anecdotique, les lois de la physique s'appliquent, ou ne s'appliquent pas, et la convection forcée n'est pas anecdotique.
Je vais prendre un autre exemple : On chauffe une casserole remplie d'eau sur un réchaud, il s'agit bien d'un échange par convection.
On ajoute graduellement un épaississant pour augmenter la viscosité du liquide, jusqu'à obtenir une masse solide.
A partir de quelle valeur de viscosité la convection se transforme en conduction ?

[coussin]

J'ai du mal à voir où vous voulez en venir. Les deux processus coexistent, bien entendu, et en augmentant par la pensée la viscosité vous diminuez la part due à la convection.
Et alors ?

[RomVi]

en augmentant par la pensée la viscosité

J'ai pris soin de détailler une expérience concrète cette fois.

Donc si j’interprète ce que tu as dis il y a toujours une part d'échange par conduction, même avec un fluide très peu visqueux ?

[obi76]

Non justement, il n'y a pas de distinction marquée. Dans le cas d'une convection nettement forcée (de l'air qui circule a grande vitesse dans un tube chaud) la dilatation du fluide ne joue plus, on a exclusivement une conduction à travers une couche limite vers une masse à température homogène.

La dilatation, c'est encore autre chose. meme un fluide "indilatable" (disons incompressible dans les modèles) possèdera la faculté de conduction ET la faculté de convection. Ce sont bien 2 phénomènes distincts.

Pour vous en persuader, dans les équations de NS, l'évolution de l'énergie totale (== énergie calorifique + cinétique pour simplifier) est donnée par :



le terme en div(rho E U) c'est la convection, le terme en div(q)(donc laplacien de T fois le coeff de conduction), c'est la conduction. En l’absence de déplacement du fluide, U est nul et on retombe sur l'équation de la chaleur (valable dans un solide, par exemple).

[coussin]

J'ai pris soin de détailler une expérience concrète cette fois.

Donc si j’interprète ce que tu as dis il y a toujours une part d'échange par conduction, même avec un fluide très peu visqueux ?

Grillé par Obi. Oui, bien sûr.
Les deux processus coexistent toujours. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Conv...usion_equation

[Casper75]

Merci je vois que mon topic a bien pointé la faiblesse des schemas scolaires.

Je trouve ça abberant de distinguer la conduction, la preuve c’est qu’il ne s’additionnent pas comme avec le rayonnement.

À l’echelle atomique il y a toujours des conductions, c’est à dire un équilibre d’agitation qui se créé entre un atome et ses voisins.

La convection met en mouvement les points de diffusions ce qui permet de conserver des gradient plus important pour mieux CONDUIRE la chaleur.

Autre exemple : si je fais glisser un glaçon sur mon bras il fond plus vite qu’en le laissant posé.

On en a rien a faire que la convection soit forcé ou non, la seul chose qui compte c’est la vitesse de renouvellement du gradient.

[Casper75]

Si j’ai une paroie + de l’air piegé dans un isolant + une paroie

Le tout peut etre modelisé comme une seul paroie solide de conductance Fi.

Si au lieu d’etre piegé dans un isolant je force l’air a tourner sur lui même entre les deux paroie ça revient exactement à augmenter la conduction du solide.

[obi76]

Bonjour,

quand je parlai d'ordre des phénomènes, c'est pour une bonne raison : ce qui est d'ordre 2 "lisse" le phénomène, de sorte que les gradients diminuent (conduction / diffusion : en fait le flux dépend du gradient), l'ordre 1 transporte mais conserve les gradients (en première approche). Si vous avez une discontinuité, la convection la conservera mais la déplacera, c'est tout.

[Casper75]

Le mouvement doit se faire entre differentes couches du gradient sinon ça ne change rien.

Alors si je comprend bien le mot "convection" est un mot fourre-tout moyen-ageux qui mélange :

-la conduction (echange de chaleur)
-la mise en mouvement des gazs par la poussé d’archimède.
-L’augmentation de la conductivité d’un milieu "mélangé" avec lui même en circuit fermé, par lissage du milieu qui rendra brutal le gradient de la couche limite

Donc ça n’as rien d’un "mode de transfert" propre.Sinon on additionnnerait la "conductivité" avec la "convection".

Je ne comprend pas ce genre de raccourci voué a compliquer la vie.Ça doit venir d’un mode de calcul empirique sur les chauffage

[coussin]

Donc ça n’as rien d’un "mode de transfert" propre.Sinon on additionnnerait la "conductivité" avec la "convection".

Avez-vous lu ce fil ? C'est justement le cas (on additionne la conduction et la convection car ce sont deux trucs différents). Cf les messages #21 et #22.

[obi76]

Le mouvement doit se faire entre differentes couches du gradient sinon ça ne change rien.

Si, vous transportez de l'énergie thermique quand meme.

Alors si je comprend bien le mot "convection" est un mot fourre-tout moyen-ageux qui mélange :

-la conduction (echange de chaleur)
-la mise en mouvement des gazs par la poussé d’archimède.
-L’augmentation de la conductivité d’un milieu "mélangé" avec lui même en circuit fermé, par lissage du milieu qui rendra brutal le gradient de la couche limite

Pas DU TOUT. La mise en mouvement des gaz à cause d'Archimède, c'est une force volumique (gravitaire) sur la quantité de mouvement du fluide. La vitesse fluide induite par cette mise en mouvement, entraîne de la convection, comme je l'ai dit plus haut.

L'augmentation de conductivité, rien à voir non plus. A conductivité constante, le flux de chaleur dépend du gradient thermique. Point. Et que ce soit stationnaire ne veut pas dire qu'il n'y a pas de flux (ça veut seulement dire que la somme de tous les termes sont nuls, mais en rien qu'ils soient nuls pris un par un. Une paroi chauffée refroidie par une convection forcée a un flux de chaleur non nul, qui à l'équilibre est exactement compensé par la convection).

Donc ça n’as rien d’un "mode de transfert" propre.Sinon on additionnnerait la "conductivité" avec la "convection".

Justement, on l’additionne, relisez ce que j'ai dit (et coussin aussi) : messages #21 et #22.

Je ne comprend pas ce genre de raccourci voué a compliquer la vie.Ça doit venir d’un mode de calcul empirique sur les chauffage

Ce que vous ne comprenez pas, ce n'est pas le "raccourci" (qui n'existe pas), ce sont bien les deux phénomènes, à quoi ils sont dus et ce qu'ils entraînent.

Relisez ce que nous avons dit, comprenez, on verra ensuite si vous avez encore des questions.

[invite91c126bc]

Bonsoir à tous,

Je me permets d'intervenir parce que j'ai le sentiment qu'il y a quelques confusions. La convection est bien un mode de transfert d'énergie, qui n'a strictement rien à voir avec la conduction, et n'a aucun rapport avec la stationnarité ou non, ou la convection forcée ou non.

La conduction de chaleur c'est un mode transport de chaleur de proche en proche, comme dans une barre de fer par exemple.
La convection, en revanche, c'est lorsque la chaleur est transportée par un fluide en mouvement. La chaleur (le champ de température) est advectée par l'écoulement fluide.
- On parle de convection forcée lorsque l'écoulement est généré par des actions mécaniques (comme une pompe ou un ventilateur). L'écoulement est piloté par Navier-Stokes, et la température est passivement transporté par l'écoulement.
- On parle en revanche de convection naturelle lorsque l'origine du mouvement fluide est liée aux variations de masse volumique dans le fluide du fait de gradient de température dans ce même fluide (fluide chaud sera moins dense). Dans ce cas de figure, il y a un couplage entre le champ de vitesse et le champ de température : on ne peut plus déterminer la vitesse sans connaitre la température et inversement. La température devient alors un scalaire actif qui influence l'écoulement. Et c'est dans ce cas de convection naturelle, et seulement dans ce cas, que les effets de flottabilité (Archimède) sont importants.

Après lorsqu'on regarde le flux de chaleur entre une paroi et un fluide en écoulement, il y a forcément une couche limite (enfin deux) : une couche limite dynamique (pour le champ de vitesse) et une couche limite thermique (pour le champ de température). Et ces épaisseurs de couches limites sont pilotées par les propriétés du fluide en question. Dans ces couches limites, c'est la conduction qui prédomine (vitesse nulle à la paroi oblige), mais au-delà de cette couche limite, la convection permet au fluide de caloporter la chaleur (elle soutire ou cède de la chaleur) beaucoup plus efficacement qu'une simple conduction bête et méchante. Toute la difficulté de la convection c'est que très souvent on n'est pas capable de trouver une solution analytique, ce qui n'est pas le cas de la conduction.