Différence principale - Convection vs rayonnement

Convection et radiation sont deux mécanismes de transfert de chaleur. Ils permettent de transporter l'énergie thermique d'un endroit à un autre. Les différence principale entre la convection et le rayonnement est que la convection est un mécanisme de transfert de chaleur qui implique un flux massique de matière. Le rayonnement, quant à lui, est un transfert de chaleur utilisant l'énergie électromagnétique. Par conséquent, le rayonnement peut transférer de la chaleur à travers le vide.

Qu'est-ce que la convection

La convection est le mécanisme de transfert de chaleur dans les matériaux par le biais du débit massique du matériau. Afin de conduire 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. Typiquement, 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. Il existe deux principaux types de convection: Naturel et forcé.

La convection est un processus complexe et il n'y a pas d'équation simple qui 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 à travers laquelle la chaleur est transférée,

est la température du solide,

est la température de l'air.

est connu sous le nom de coefficient de transfert de chaleur par convection. Ce coefficient dépend d'un certain nombre de propriétés, notamment la densité, la viscosité et le débit du fluide.

Convection naturelle

Dans convection naturelle, l'écoulement des matériaux est causé par des différences de densité. Par exemple, considérons une bouilloire d'eau réchauffée sur une cuisinière. Au fur et à mesure que l'eau se réchauffe au fond de la bouilloire, elle se dilate. Cela signifie que les molécules d'eau sont maintenant plus éloignées les unes des autres, ce qui entraîne une diminution de la densité de l'eau au fond. Maintenant, l'eau au fond de la bouilloire est moins dense par rapport à l'eau au sommet de la bouilloire. En raison de la différence de densité, l'eau plus chaude du bas monte vers le haut tandis que l'eau plus froide du haut descend vers le bas. Le processus se répète jusqu'à ce que le haut et le bas soient tous les deux à la même température.

Le fluide chaud qui monte ne peut pas monter le long de la même ligne où le fluide froid descend. Par conséquent, le fluide doit se déplacer horizontalement avant de monter/descendre pour le cycle suivant. Cela met en place cellules de convection dans le fluide, comme le montre le schéma ci-dessous.

Cellules de convection

La convection naturelle est responsable des courants d'air et c'est aussi l'un des principaux facteurs impliqués dans les courants océaniques.

La convection est également un facteur important dans la tectonique des plaques. Les parties internes du manteau terrestre sont plus chaudes que la partie externe, ce qui provoque la formation de cellules de convection dans le manteau. Le manteau est solide et le mouvement des matériaux à l'intérieur du manteau est assez lent, environ 20 mm par an.

Convection dans le manteau terrestre

Convection forcée

Convection forcée se produit lorsque le mouvement du matériau est déplacé à l'aide d'un mécanisme externe tel qu'un ventilateur ou une pompe. Les radiateurs soufflants sont un bon exemple de convection forcée. Dans le corps humain, le cœur agit également comme une pompe responsable de la convection forcée de la chaleur autour du corps.

Qu'est-ce que le rayonnement

Radiation décrit le transfert de chaleur par rayonnement électromagnétique. En raison de l'énergie cinétique, les molécules qui composent les objets sont toujours en mouvement. Cela provoque le déplacement des charges dans ces molécules, ce qui entraîne la création d'ondes électromagnétiques.

La vitesse à laquelle un objet émet de la chaleur par rayonnement est donnée par le La loi Stefan-Boltzmann:

où

est la surface de l'objet et

est sa température absolue.

est le Constante de Stefan-Boltzmann,

.

La quantité

est appelé émissivité. Il prend une valeur comprise entre 0 et 1.

est plus élevé pour les objets plus sombres avec des surfaces plus sombres, qui émettent et absorbent bien le rayonnement. Les surfaces brillantes absorbent et émettent beaucoup moins de rayonnement et elles ont des émissivités plus proches de 0. Une surface idéale qui est à la fois un absorbeur parfait et un émetteur de rayonnement a une émissivité de 1 et s'appelle un corps noir.

Comme l'objet émet un rayonnement vers l'environnement, il absorbe également le rayonnement de l'environnement. Si l'environnement est à une température de

, le taux net auquel un corps rayonne de chaleur est donné par

Si

il y a un rayonnement thermique net du corps vers l'environnement.

Les objets émettent certaines longueurs d'onde de rayonnement plus que d'autres. En règle générale, plus le corps est chaud, plus la longueur d'onde émise est faible. Par exemple, les étoiles plus chaudes devraient avoir une couleur plus bleue (longueur d'onde plus petite) que les étoiles plus froides et plus rouges (longueur d'onde plus grande). Pour un corps noir idéal à température absolue

, La loi de Vienne donne la longueur d'onde

qui est le plus émis:

À température ambiante, la longueur d'onde primaire rayonnée par les corps est dans la gamme infrarouge. Le graphique ci-dessous montre la densité d'énergie d'une longueur d'onde donnée rayonnée par un corps noir à plusieurs températures différentes.

Rayonnement – ​​Loi de Wien

Les thermogrammes utilisent le rayonnement thermique émis par le corps pour dépister les maladies et les caméras infrarouges sont utilisées pour « voir » dans l'obscurité. Le rayonnement des étoiles lointaines est également utilisé pour mesurer la distance entre la Terre et les étoiles.

Différence entre convection et rayonnement - Thermogramme d'une maison écoénergétique au premier plan, rayonnant beaucoup moins d'énergie thermique par rapport à une maison traditionnelle rayonnant beaucoup plus d'énergie (arrière-plan)

Quelle est la différence entre la convection et le rayonnement

Origine

Convection résulte de la dilatation thermique de la matière.

Radiation est le résultat du mouvement des charges dans les matériaux en raison de l'énergie cinétique des molécules.

Mécanisme

Convection implique un transfert de masse d'un matériau, typiquement un fluide.

Radiation implique une onde électromagnétique. La matière elle-même ne bouge pas.

Moyen

Convection nécessite un médium.

Radiation ne nécessite pas de milieu et peut transférer la chaleur à travers un vide.

Dépendance de la température

Convection Il en résulte un flux de chaleur qui est approximativement directement proportionnel à la différence de température.

Radiation se traduit par un débit de chaleur qui dépend de la différence entre les puissances quatrièmes des températures de l'objet et de l'environnement.

Les références

Liu et al., (2007). Convection à petite échelle dans le manteau supérieur sous les monts chinois Tian Shan. Physique de la Terre et intérieurs planétaires (163), 179-190

Image de courtoisie

« centre: cellules de convection dans un récipient, en haut: production de chaleur, en bas: entrée de chaleur » par Eyrian (Travail personnel) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

« Montre comment les dorsales océaniques se forment, la lithosphère subductée au niveau des tranchées; bon pour comprendre la tectonique des plaques. par Surachit (Travail personnel) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

« Loi des radiations de Wien / Prawo Wiena » par 4C (Travail personnel, basé sur la version JPG) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

« Thermogramme d'un bâtiment Passivhaus, avec un bâtiment traditionnel en arrière-plan. » par Passivhaus Institut (Copié sur Commons à partir de http://en.wikipedia.org. Source originale Passivhaus Institut, Allemagne - http://www.passiv.de) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons