🍲 La convection : pourquoi le chaud monte
Pose une casserole d'eau sur le feu et jette une pincée de poivre : les grains se mettent à danser ! L'eau chaude, plus légère, monte comme une montgolfière, l'eau froide plonge pour prendre sa place : ce sont les courants de convection. Retourne le problème (chauffe par le haut) et plus rien ne bouge… Et dans ta chambre, où vaut-il mieux mettre le radiateur ?
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Chauffée par le fond, l'eau chaude forme un panache qui monte au-dessus de la flamme, puis redescend sur les côtés : les grains de poivre dessinent des boucles, les courants de convection, qui mélangent toute l'eau.
- Chauffée par le haut, l'eau chaude, plus légère, reste en surface : aucun courant, le fond reste froid très longtemps. Seule la conduction agit, et elle est très lente dans un liquide.
- Le panneau « Pourquoi le fluide chaud monte ? » compare la poussée d'Archimède Π, due au fluide froid qui entoure la bulle chaude, et le poids P de cette bulle, plus léger car le fluide chaud est moins dense : Π > P, elle monte.
- Plus le liquide est visqueux (huile, miel), plus les courants sont lents ; s'il est assez visqueux, ils s'arrêtent presque.
- Dans la pièce, l'air refroidi par la vitre tombe et glace les pieds si le radiateur est loin ; placé sous la fenêtre, le radiateur envoie un rideau d'air chaud qui stoppe ce courant d'air froid.
Expériences à faire
- Déplace la flamme tout à gauche : dans quel sens l'eau tourne-t-elle maintenant ?
- Pourquoi chauffe-t-on toujours une casserole par le dessous et jamais par le dessus ?
- Compare l'eau, l'huile et le miel : lequel chauffe le plus uniformément ?
- Dans la pièce, mets le radiateur contre le mur d'en face, puis sous la fenêtre : compare la température aux pieds.
- Où sont, dans la casserole, la conduction, la convection et le rayonnement ?
La physique derrière l'animation
- Trois modes de transfert thermique : la conduction (de proche en proche, sans déplacement de matière, dans les solides surtout), la convection (un fluide en mouvement transporte l'énergie) et le rayonnement (ondes électromagnétiques, même dans le vide).
- Un fluide chauffé se dilate : sa masse volumique ρ = m / V diminue (eau : 998 kg/m³ à 20 °C, 958 kg/m³ à 100 °C ; air : ρ = p M / (R T), 1,20 kg/m³ à 20 °C).
- Un volume V de fluide chaud entouré de fluide froid subit la poussée d'Archimède Π = ρfroid × V × g, plus grande que son poids P = ρchaud × V × g : il monte. C'est la convection naturelle.
- Le flux échangé entre une paroi et un fluide suit la loi de Newton Φ = h × S × (θparoi − θfluide) : les courants de convection augmentent le coefficient h (≈ 5 à 10 W·m⁻²·K⁻¹ dans l'air calme, 100 à 1 000 dans l'eau).
- Simulation 2D simplifiée (approximation de Boussinesq, frottement visqueux de type Hele-Shaw, méthode « stable fluids ») : le temps est accéléré, les viscosités sont comprimées et les températures indicatives ; seule l'allure des phénomènes est fidèle.
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