Quelle est exactement la différence entre le rayonnement, la conduction et la convection?

sciencerocks

Quelle est exactement la différence entre le rayonnement, la conduction et la convection?


D’accord, donc partout où j’ai lu, j’entends que la principale différence est l’exigence d’un support. Mais par exemple, si vous prenez le cas de la chaleur «rayonnante» d’un fer chauffé au rouge, n’est-ce pas vraiment de la convection et non du rayonnement ? Je veux dire, la différence de température entre l’air ambiant et le fer ne fait-elle pas augmenter la chaleur de l’air?

Mike Dunlavey

Bonnes réponses. Le transfert de chaleur radiatif utilise la lumière, essentiellement. C’est ainsi que le soleil nous chauffe. Ensuite, il y a la conduction – mettez quelque chose de chaud en contact avec quelque chose de moins chaud et le flux de chaleur de l’un à l’autre. La convection est juste un cas de conduction, où l’une des choses est un fluide qui peut se dilater puis monter par gravité, donc il emporte la chaleur. Pensez à une montgolfière ou à un orage.

Réponses


 AdamRedwine

Pour à peu près tout ce que vous avez dit dans votre question, « non ».

Que la convection nécessite un milieu n’est pas la principale différence, c’est simplement l’aspect le plus évident de ce qui est un mécanisme fondamentalement différent pour le transfert d’énergie. La convection est le transfert d’énergie par le mouvement d’un milieu , tandis que le rayonnement est le transfert d’énergie par, eh bien, le rayonnement thermique. La conduction nécessite également un milieu, mais, encore une fois, c’est un mécanisme fondamentalement différent de la convection ou du rayonnement; dans ce cas, il s’agit du transfert d’énergie à travers un milieu .

Malheureusement, les analogies sont difficiles mais si vous pouvez visualiser les particules impliquées, cela aiderait. Imaginez le fer rouge que vous avez mentionné. Au niveau moléculaire, le matériau émet beaucoup, beaucoup de photons (d’où sa lumière rougeoyante). La création de ces photons prend de l’énergie; l’énergie de la chaleur du fer. Ces photons quittent le fer, traversent l’environnement et finissent par entrer en collision avec un autre objet où ils sont absorbés et déposent leur énergie. Il s’agit d’un transfert de chaleur radiatif. Si cette énergie est déposée sur votre rétine ou un CCD (comme dans un appareil photo numérique), une image se forme avec le temps. C’est ainsi que fonctionnent les lunettes infrarouges et elles fonctionneraient aussi bien dans le vide poussé qu’ici sur terre.

En conduction, le prochain exemple le plus simple, il n’y a pas de génération de photons (les nerds de la physique me pardonnent pour des raisons de simplicité). Les atomes individuels de l’objet vibrent d’énergie thermique. Comme chaque atome gagne de l’énergie de ses voisins plus énergétiques, il cède donc de l’énergie à ses moins énergétiques. Au fil du temps, la chaleur «voyage» à travers l’objet.

En convection, les molécules de gaz proches de l’objet gagnent de l’énergie, comme dans le cas de la conduction, mais ces mêmes molécules qui ont gagné de l’énergie traversent alors l’environnement vers un autre endroit où elles dégagent ensuite leur énergie thermique.

En résumé:

  • rayonnement = photons générés et absorbés
  • conduction = molécules excitant successivement leurs voisins
  • convection = molécules chauffées comme en conduction, mais se déplacent ensuite vers un autre endroit
Alan Rominger

Je pense que le rayonnement devrait inclure plus que des photons et une définition générale de celui-ci devrait refléter cela. Je dirais que le rayonnement est le transport de particules d’un endroit à un autre qui ne fait pas partie du milieu en vrac.

AdamRedwine

C’est vrai, mais comment différencieriez-vous alors la convection et le rayonnement? C’est la production et la réabsorption des particules qui sont la marque de fabrique et, bien que tout ce rayonnement ne soit pas via les photons, la grande majorité l’est.

Alan Rominger

J’ai pensé dire que le rayonnement ne se déplace pas par diffusion mais, non, c’est faux aussi. Les photons sont probablement la « majorité » (pas sûr de la définition ici) du rayonnement car ils peuvent être à très haute entropie, et le rayonnement du corps noir permet aux photons de faible énergie d’être l’état final de la plupart de l’énergie de la matière. Le rayonnement ne peut pas non plus être défini en étant « temporaire ». C’est pourquoi j’ai utilisé « ne fait pas partie du support en vrac », ce qui est assez sec mais le libellé le plus correct que je puisse trouver. La conduction se produit-elle est-elle du gaz? Ce n’est peut-être même pas « vibratoire ». Question frustrante, mais très bonne.

AdamRedwine

Oui, la conduction se produit dans le gaz, mais dans une moindre mesure que dans les solides. La vibration n’est pas non plus une formulation vraiment précise, mais elle est à peu près aussi bonne que possible à ce niveau d’explication. J’ai suivi des cours de thermo en physique au premier cycle et plusieurs fois à l’école d’ingénieurs, donc ma formulation a tendance à pencher vers le côté intuitif de l’ingénierie.


 Pushpak Dagade

Je vais essayer d’expliquer en termes simples.

Tout corps dont la température est supérieure à 0 Kelvin dégage (c’est-à-dire rayonne) de la chaleur sous forme d’ondes. (Donc, même nous rayonnons!) Bien sûr, la quantité de ce rayonnement dépend de la température, donc plus la température du corps est élevée, plus il dégage de chaleur. Or, cette énergie thermique se déplaçant sous forme d’ondes, elle ne nécessite pas nécessairement de support pour se déplacer. Ainsi, il peut voyager sur n’importe quel / aucun support .

Soleil chauffant la Terre

Je vais essayer d’expliquer la convection à l’aide d’un exemple simple.

Considérez un bécher d’eau chauffée par le bas. L’eau dans la région inférieure s’échauffe, devient plus légère et arrive donc au sommet. Maintenant, la région d’eau (relativement) plus froide sur le dessus descend et commence à chauffer. Maintenant, encore une fois, il s’échauffe et monte quand il devient plus léger que l’eau (précédemment chauffée) sur le dessus, mais cette fois plus chauffée que l’eau sur le dessus. Ce processus se poursuit et, finalement, chaque molécule d’eau s’échauffe.

Comme vous pouvez le voir, dans ce processus, le mouvement des particules conduit au chauffage de tout le corps (l’eau, dans ce cas) – les plus chaudes s’éloignent de la source de chaleur pour laisser les plus froides collecter la chaleur .

Convection en pot d'eau

Donc, il est clair que la convection nécessite un milieu (spécifiquement, un milieu non solide). Contrairement au rayonnement, s’il n’y a pas de milieu près de la source, il ne peut pas perdre sa chaleur simplement par convection. (Il peut bien sûr le perdre par rayonnement.)

Permet vient à votre chauffage de cas de tige de fer.

Fer chaud incandescent

Ce que vous avez dit est en partie correct, cette convection est l’un des modes de transfert de chaleur ici. Mais, le rayonnement aussi . N’oubliez pas que la tige de fer est trop chaude par rapport à la température ambiante et qu’elle rayonnera donc beaucoup de chaleur. En fait, la chaleur est telle que la tige est rouge vif. (Si vous en savez un peu sur le spectre EM, vous savez que lorsque l’émission d’un corps comprend également le spectre visible, nous pouvons réellement voir (une partie de) le spectre d’émission.)

En réalité, les 3 modes de transfert de chaleur se produisent simultanément.

Trois modes de transfert de chaleur

(Même dans l’exemple du bécher ci-dessus, les molécules d’eau (ainsi que la convection) dégagent également de la chaleur sous forme de rayonnement, car elles ont une température non nulle. Elles transfèrent également la chaleur par collision à d’autres molécules d’eau, ce qui est connu sous le nom de conduction. Cependant, dans cet exemple, la convection était le mode de transfert de chaleur le plus dominant.)

Si vous souhaitez connaître la différence exacte entre ces modes de transfert, vous devrez peut-être suivre un cours d’ingénierie de niveau intermédiaire.

Kuba Ober

Dans vos exemples graphiques, la convection est désespérément mêlée aux effets secondaires du fluide ayant du poids, ou interagissant d’une autre manière avec un champ potentiel. La montée de chaleur et les cellules convectives ne sont pas des propriétés clés de la convection elle-même. Une fois que le milieu n’est pas dans un champ potentiel (par exemple, il est en apesanteur), ils disparaissent, mais la convection elle-même ne l’est certainement pas! Le mot convection est malheureusement utilisé pour décrire à la fois le mécanisme de transfert de chaleur et le mouvement du fluide dans un champ potentiel dans un gradient de température.


 genneth

Non. La lumière (comme vous pouvez le voir – il fait chaud! – et la lumière infrarouge que vous ne pouvez pas voir) quittent la surface métallique et atteignent directement votre peau / thermomètre, et le feraient sans air.


 Farcher

Les réponses déjà données expliquent les différences entre les processus par lesquels la chaleur est transférée d’un corps à un autre mais il existe également des différences dans leur importance relative dans des situations particulières.

Un radiateur de chauffage central émet de la chaleur, mais la convection est un processus plus important une fois que l’air est chauffé et avant que la conduction à travers le métal dont le radiateur est fait est le processus dominant.

Aux très basses températures, le rayonnement est le processus dominant car la plupart des substances sont solides et sont de très mauvais conducteurs de chaleur.

Aux très hautes températures, le rayonnement est le processus dominant

La température est donc un facteur qui peut déterminer quel processus est le plus important.

Votre fer chaud est un bon exemple en ce sens que si vous placez votre main près de lui, vous pouvez « sentir » le rayonnement et parce que la température du fer est relativement élevée, il y aura beaucoup de rayonnement (principalement infrarouge) émis par celui-ci mais il y aura également une perte due à la convection.

Il est souvent très difficile d’identifier puis de quantifier le processus le plus important.
Après avoir allumé une ampoule pendant un certain temps, l’enveloppe en verre devient chaude, mais les processus par lesquels elle devient chaude sont assez complexes.
Essayez ce qui suit.
Choisissez une ampoule accessible qui n’est pas allumée depuis un certain temps.
Tenez vos mains autour de l’ampoule sans vraiment la toucher.
Allumez l’ampoule puis au bout de quelques secondes, éteignez-la.
Vous aurez ressenti une sensation de chaleur due au rayonnement émis par le filament chauffé mais si vous touchez maintenant l’enveloppe en verre il fera toujours froid.
Le rayonnement est donc très important, car il est en partie léger, mais la majorité du transfert d’énergie du filament se fait dans l’infrarouge.

 

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