Le transfert par convection fait référence à une forme de chauffage où les molécules sont réchauffées, deviennent plus légères ou moins denses et s’éloignent de la source de chaleur. Des exemples courants incluent l’air chaud qui monte lorsqu’il est chauffé par le sol ou l’eau qui monte dans une casserole lorsqu’elle est chauffée par le bas. Un autre type de transfert de chaleur est la conduction, où la chaleur se déplace à travers un objet, par exemple lorsque le métal est chauffé par une flamme à une extrémité et devient chaud à l’autre.
Une source de chaleur est nécessaire pour que le transfert par convection se produise, qu’il s’agisse d’une casserole posée sur un poêle ou d’un sol ou d’arbres chauffés par le soleil. Lorsque le chauffage se produit, les molécules les plus proches de la source de chaleur gagnent de l’énergie, ce qui les fait se déplacer plus rapidement que les molécules environnantes. Si rien ne se produisait davantage, le transfert de chaleur se produirait très lentement, car la chaleur devrait se déplacer principalement par conduction.
En général, la chaleur se déplace plus rapidement dans le transfert par convection car une augmentation de l’énergie entraîne une modification de la densité d’un fluide, qui peut être un gaz ou un liquide. Le fluide de densité inférieure augmentera jusqu’à ce qu’il refroidisse, puis reviendra à un niveau inférieur. Dans l’atmosphère, l’air chaud monte jusqu’à atteindre une altitude où se forment des nuages qui dégagent de la chaleur et l’air peut se refroidir à nouveau. L’eau chaude montera dans une casserole chauffée jusqu’à ce qu’elle atteigne la surface, où un transfert de chaleur peut se produire dans l’air au-dessus de la casserole, et l’eau se refroidira.
Le mouvement du fluide à travers les cycles de réchauffement et de refroidissement entraîne un réchauffement plus rapide du volume total de fluide. C’est pourquoi la température de l’air peut augmenter rapidement par temps ensoleillé, car le transfert par convection provoque un mouvement de l’air et le réchauffement se produit plus rapidement que par temps nuageux. Il est important de noter que le transfert de convection dans l’air ne contribue pas de manière significative au vent, qui est principalement un effet des différences de pression entre les zones de basse et de haute pression.
La convection de l’air provoque des courants thermiques, ou des bulles d’air chaud ascendant, que les voyageurs aériens peuvent ressentir sous forme de cahots ou de turbulences. Les pilotes de planeur peuvent profiter de la convection de l’air en tournant dans les zones d’air ascendant pour gagner de l’altitude sans utiliser de moteur. La convection peut créer des conditions météorologiques extrêmes si l’air ascendant se produit dans des conditions où des gouttelettes d’eau peuvent se former lorsque l’air se refroidit. Le passage de la vapeur d’eau aux gouttes de pluie liquides s’appelle la condensation, qui libère de la chaleur et provoque un réchauffement supplémentaire de l’air ambiant. Le résultat peut être un orage de masse d’air, qui résulte du transfert par convection d’air chaud et de précipitations.
La convection n’est pas un moyen très efficace de mélanger des fluides, car le mouvement ne se produit qu’à partir de densités changeantes. C’est pourquoi les procédés industriels incluent généralement le mélange, pour amener plus rapidement les fluides à une température constante. Le mélange amène le fluide à entrer en contact avec des surfaces chauffées, puis s’éloigne rapidement et est remplacé par un matériau plus froid. En plus d’une meilleure efficacité de chauffage, le mélange empêche également les points chauds ou les zones de chaleur excessive qui peuvent endommager les réactions chimiques.