La convection libre, également connue sous le nom de convection naturelle, est un phénomène qui se produit lorsqu’un fluide ou un gaz se déplace à la suite de changements de densité qui se produisent à l’intérieur, plutôt qu’en réponse à une source de mouvement externe telle qu’un ventilateur ou une turbine. Sans surprise, la convection naturelle peut être observée dans la nature, où elle joue un rôle dans un certain nombre de processus naturels différents, et elle peut également être observée dans des environnements contrôlés par l’homme, allant de la cuisine au laboratoire de chimie. Cela diffère de la convection forcée, dans laquelle le mouvement est forcé par le mouvement d’un appareil tel qu’un ventilateur, comme on le voit dans un four à convection.
La convection naturelle se produit lorsque les fluides deviennent instables. Une zone devient plus chaude que les autres, perd de sa densité et commence à monter, créant un petit courant. Au fur et à mesure qu’il s’élève, la chaleur est transférée au fluide plus froid environnant. Des courants et des tourbillons apparaissent. Dans un exemple simple de convection naturelle, si l’on fait tomber de l’eau chaude teinte avec du colorant alimentaire dans un bol en verre transparent d’eau froide non teinte, il sera possible de suivre le mouvement de l’eau teinte jusqu’à ce que le mélange se stabilise et que le mouvement s’arrête.
La loi de refroidissement de Newton joue un rôle essentiel dans la convection libre. Selon Newton, le taux de changement de température dans un fluide peut être considéré comme proportionnel à la différence entre le fluide et l’environnement. Cela influence la convection libre, car les changements de température créent une instabilité, ce qui conduit à la convection libre. Par exemple, les systèmes météorologiques sont fortement influencés par le mouvement de l’air chaud et froid qui est influencé par le rayonnement solaire, le contact avec l’eau froide, etc.
La circulation des océans du monde est une conséquence directe de la convection libre. Au fur et à mesure que l’eau se déplace vers les pôles, elle se refroidit et devient plus dense, s’enfonçant vers le fond. Pendant ce temps, l’eau se déplaçant vers l’équateur se réchauffe et devient plus légère, remontant à la surface. Cela crée une série de courants complexes dans tout l’océan qui génèrent une circulation continue, maintenant l’eau de l’océan en mouvement constant.
La théorie de la convection explique également d’autres processus naturels, tels que le mouvement des fluides sous la croûte terrestre. Le déplacement des liquides sous nos pieds joue un rôle dans un certain nombre de processus naturels, ces fluides se déplaçant constamment en raison des changements de température à l’intérieur de la Terre. Les courants de convection peuvent également se croiser, comme le montre l’interaction entre l’océan et les systèmes météorologiques au-dessus et à proximité de l’océan, qui sont influencés par les changements de température causés par le mouvement des courants océaniques.