Différence entre la convection et la conduction

Différence principale - Convection vs. Conduction

Convection et conduction sont les deux mécanismes de transfert de chaleur. le différence principale entre la convection et la conduction est que, jen convection, la chaleur est transférée à travers un flux massique de matériau tandis que, en conduction, la chaleur est transférée par des collisions de particules qui composent le matériel.

Qu'est-ce que la conduction?

Les particules qui composent la matière sont toujours en mouvement. Lorsque la température augmente, les particules ont des énergies cinétiques plus grandes et par conséquent elles vibrent avec des amplitudes plus grandes. Pendant conduction, une particule vibrante frappe une particule voisine en lui donnant de l'énergie. Cette particule vibre maintenant avec une plus grande amplitude et peut entrer en collision avec un autre atome voisin, lui donnant de l'énergie. Ce processus de transfert d'énergie peut se poursuivre d'un bout à l'autre d'un objet. Etant donné qu'une augmentation de l'énergie cinétique des particules se traduit physiquement par une augmentation de la température, l'augmentation progressive de l'énergie cinétique des particules le long de l'objet s'accompagne d'une augmentation progressive de la température le long de l'objet. Ce processus, par lequel la chaleur est transférée à la suite de particules en collision, est appelé conduction.

La capacité d'un matériau à transférer de la chaleur par conduction est caractérisée par sa conductivité. Le taux de transfert de chaleur,  ou le courant thermique, entre deux objets ayant une différence de température de  est donné par

où   et sont la section et la longueur du conducteur transférant la chaleur, respectivement. La lettre  est le conductivité thermique, mesuré en unités de W m^-1 K^-1.

Comme le montre l'équation, le taux de transfert de chaleur est directement proportionnel à la différence de température et à la section du conducteur, et inversement proportionnel à la longueur du conducteur. La valeur de la conductivité thermique dépend des propriétés microscopiques du matériau. Les métaux sont de bons conducteurs thermiques car ils contiennent un grand nombre d'électrons libres qui peuvent entrer en collision librement pour transférer de l'énergie. Pendant ce temps, les ions qui forment le réseau vibrent autour de positions fixes également entrer en collision et transférer de la chaleur. Cependant, les électrons libres sont responsables de la majeure partie du transfert de chaleur dans les métaux.

Qu'est-ce que la convection?

La convection est le mécanisme de transfert de chaleur dans les matériaux par le biais d'un flux massique de matériau. Ici, afin de transférer la chaleur, des parties du matériau lui-même se déplacent - c’est-à-dire qu’il y a un transfert de masse à l’intérieur du matériau. En règle générale, la convection se produit dans les fluides. Cependant, des effets de convection peuvent parfois être observés dans les solides, comme dans le cas de la tectonique des plaques. Le diagramme ci-dessous montre les schémas de convection tourbillonnaires formés par la vapeur sortant d'une tasse de café:

Les courants de convection commencent à se former dans la vapeur provenant d'une tasse de liquide chaud

La convection est un processus complexe et aucune équation simple ne le décrit complètement. Cependant, nous pouvons utiliser une approximation pour les cas où un fluide est chauffé à l'aide d'une surface solide. Pour ces cas, le taux de transfert de chaleur  est donné par,

où  est la surface par laquelle la chaleur est transférée,  est la température du solide,  est la température de l'air.  est connu comme le coefficient de transfert de chaleur par convection. Ce coefficient dépend de nombreuses propriétés, notamment la densité, la viscosité et le débit du fluide. L'unité pour le coefficient de transfert de chaleur par convection est W m^-2 K^-1.

Notez que les fluides transférant de la chaleur par convection transfèrent également de la chaleur par conduction. Si la conduction est très efficace, elle peut empêcher la formation de courants de convection et entraver le transfert de chaleur par convection. On peut déterminer si le mécanisme de transfert de chaleur dominant est la conduction ou la convection d’un fluide en calculant un nombre connu sous le nom de Numéro de Rayleigh.

Le diagramme ci-dessous illustre les cas où chacun des trois types de mécanisme de transfert de chaleur est dominant.

Différence entre les trois principaux mécanismes de transfert de chaleur illustrés: la différence entre la convection et le rayonnement a été traitée dans un autre article.

Différence entre la convection et la conduction

Mécanisme

Conduction transfert de chaleur via le transfert d'énergie cinétique lors de collisions entre particules vibrantes.

Convection transfère la chaleur en déplaçant les particules qui constituent le matériau.

Matériel

Conduction est généralement le mécanisme dominant du transfert de chaleur dans les solides.

Convection est généralement le mécanisme dominant du transfert de chaleur dans les fluides.

Courtoisie d'image

“Convection” de Rebecca Siegel (Travail personnel) [CC BY 2.0], via flickr

“ไทย: http://www.roasterproject.com/2010/01/heat-transfer-the-basics/” de Kmecfiunit (travail personnel) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons