La convection n'assure pas seulement un transport de chaleur mais aussi un brassage de matière. Elle permet, par exemple, une répartition homogène de la température dans un récipient d'eau chauffée ou dans une pièce ventilée. Le phénomène est donc fondamental à la fois dans la vie quotidienne, dans les phénomènes géophysiques et météorologiques, ainsi que dans les technologies de chauffage, de climatisation ou de refroidissement industriel.

Thermodynamique de la convection.
Les phénomènes convectifs s'appuient sur le couplage entre les lois de la conduction thermique, les équations de la mécanique des fluides et le principe de conservation de l'énergie. Lorsqu'un fluide est chauffé en un point, ses particules gagnent de l'énergie interne, ce qui provoque une diminution de sa densité locale en raison de l'expansion thermique. Sous l'effet de la pesanteur, les zones de fluide plus chaudes et donc moins denses tendent à s'élever, tandis que les régions plus froides et plus denses descendent. Ce mouvement établit un transport macroscopique d'énergie interne, qui s'ajoute à la simple diffusion thermique microscopique.

La description thermodynamique de la convection mobilise l'équation de conservation de l'énergie, où la variation d'énergie interne du fluide dépend à la fois du flux de chaleur conductif, décrit par la loi de Fourier, et du terme convectif, lié à l'enthalpie transportée par le mouvement global du fluide. On distingue alors deux formes de convection. 

 â€¢ La convection forcée se produit lorsque le mouvement du fluide est provoqué par une force extérieure, telle que l'utilisation d'un ventilateur, d'une pompe ou de tout autre dispositif mécanique. Dans ce cas, le fluide est forcé à circuler, ce qui accélère le transfert de chaleur. Le processus thermodynamique essentiel est le transfert d'enthalpie par advection. 

• La convection naturelle se produit lorsque le mouvement du fluide est induit par des différences de densité causées par des variations de température. Lorsqu'une partie du fluide est chauffée, elle devient moins dense et monte, tandis que la partie refroidie devient plus dense et descend. L'équilibre hydrostatique est rompu, et des cellules convectives apparaissent spontanément, ce qui peut être décrit par l'instabilité de Rayleigh-Bénard lorsque le gradient vertical de température dépasse une valeur critique (La convection de Rayleigh-Bénard).

La convection génère une production d'entropie liée à la dissipation visqueuse et à l'irréversibilité du mélange entre zones de température différente. L'entropie totale du système et de son environnement augmente toujours, mais localement la convection peut créer des régions où le flux d'entropie est orienté, par exemple de la zone chaude vers la zone froide, tandis que la production interne compense les irréversibilités. Dans l'analyse du phénomène, on considère que le flux de chaleur est associé au gradient de température et que le flux de quantité de mouvement est associé au gradient de vitesse. Ces deux mécanismes sont couplés par la présence du mouvement convectif : un gradient thermique engendre une variation de densité, donc un écoulement, qui lui-même transporte de la chaleur et accroît la dissipation. La convection apparaît dès lors comme un exemple type de processus loin de l'équilibre où se forment des structures spatiales auto-organisées, comme les cellules de Rayleigh-Bénard. Dans ces situations, le système tend à maximiser l'efficacité de dissipation des gradients thermiques imposés. La production d'entropie devient non seulement un indicateur d'irréversibilité mais aussi un critère de stabilité : les régimes convectifs observés correspondent habituellement à ceux qui assurent une dissipation plus rapide des déséquilibres.

Exemples de phénomènes convectifs.
Les phénomènes convectifs jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus naturels. Dans l'atmosphère, la convection est à l'origine de la formation des nuages et des vents, car l'air chaud s'élève et entraîne une redistribution de l'énergie. Dans les océans, elle contribue à la circulation des courants marins, participant à la régulation climatique. À l'intérieur de la Terre, les mouvements de convection dans le manteau expliquent la dérive des continents et l'activité volcanique. Dans le Soleil, des mouvements de convection transportent l'énergie produite au cœur vers la surface. Le même principe thermodynamique de dissipation des gradients thermiques est chaque fois à l'oeuvre, mais chaque système en exprime une modalité adaptée à son échelle spatiale, temporelle et énergétique.

Atmosphère terrestre.
Dans l'atmosphère, la convection est un mécanisme essentiel de redistribution de la chaleur entre la surface et les couches supérieures. Lorsque le sol est chauffé par le rayonnement solaire, l'air à proximité s'échauffe, se dilate et devient moins dense. Il s'élève alors, entraînant un transport vertical d'énergie interne et d'humidité. Ce mouvement ascendant est compensé par la descente d'air plus froid et plus dense. Ce cycle génère des mouvements convectifs responsables de la formation des nuages, des orages et de la turbulence atmosphérique. Les cellules convectives peuvent s'organiser à grande échelle, comme les cellules de Hadley, de Ferrel et polaires, qui assurent une redistribution globale de l'énergie entre l'équateur et les pôles (La circulation atmosphérique). L'instabilité convective est gouvernée par le gradient de température vertical : lorsque celui-ci est plus fort que le gradient adiabatique, l'air devient instable et la convection s'enclenche, libérant de la chaleur latente par condensation de la vapeur d'eau, ce qui amplifie le processus. La convection se déploie sur des échelles de temps courtes, de l'ordre de la minute à l'heure, avec des vitesses verticales atteignant plusieurs mètres par seconde dans les orages. La production d'entropie est élevée, car les gradients de température sont rapidement dissipés et amplifiés par la condensation de la vapeur d'eau, qui libère de la chaleur latente. Le système est hautement instable et produit des structures dynamiques organisées mais transitoires, comme les cumulonimbus.

Océans.
Dans les océans, la convection agit à la fois verticalement et horizontalement, modulée par les gradients de température et de salinité. Lorsque l'eau de surface se refroidit ou devient plus salée, sa densité augmente, ce qui la fait plonger en profondeur. Inversement, l'eau chaude ou moins salée tend à remonter. Ces mouvements créent des cellules convectives qui participent au brassage vertical de l'océan et influencent le transport de chaleur et de nutriments. À grande échelle, ce mécanisme contribue à la circulation thermohaline, moteur fondamental de la dynamique océanique globale, qui redistribue l'énergie entre basses et hautes latitudes et régule le climat planétaire. Dans certaines régions polaires, la formation de glace de mer expulse le sel, rendant l'eau environnante plus dense, ce qui renforce les plongées convectives profondes et alimente les courants océaniques mondiaux. Les temps caractéristiques sont plus longs que dans l'atmosphère, allant du jour à la décennie pour les cycles locaux, et jusqu'à des millénaires pour la circulation thermohaline globale. Les vitesses sont beaucoup plus faibles que dans l'air, de l'ordre de quelques millimètres à centimètres par seconde, mais l'inertie thermique de l'eau confère au système une grande capacité de stockage et de redistribution énergétique. La production entropique est modérée à l'échelle locale, mais cumulée dans le temps elle joue un rôle majeur dans l'équilibre climatique de la planète.

Manteau terrestre.
Dans le manteau terrestre, la convection se déroule sur des échelles de temps géologiques (de l'ordre de millions à centaines de millions d'années). Les vitesses convectives sont très faibles, de quelques centimètres par an, comparables au  déplacement des plaques tectoniques. Cependant, la masse énorme du manteau fait que le flux thermique global transporté par convection est considérable. La production entropique par unité de volume est faible, mais intégrée sur des temps géologiques, elle représente le processus dominant de dissipation de l'énergie interne de la Terre, si bien que les phénomènes convectifs dans le manteau constituent le principal moteur de la dynamique interne de la planète. La chaleur résiduelle de la formation de la Terre, la désintégration radioactive et les échanges avec le noyau créent des gradients thermiques suffisants pour engendrer une convection lente mais continue dans le manteau solide, qui se comporte comme un fluide visqueux sur des millions d'années. Les régions chauffées en profondeur deviennent moins denses et remontent sous forme de panaches mantelliques, tandis que les zones plus froides et plus denses plongent en subduction. Ce processus explique le mouvement des plaques lithosphériques, la formation des dorsales océaniques et le volcanisme intraplaque. La convection mantellique représente ainsi une manifestation de la thermodynamique irréversible à très grande échelle, traduisant la dissipation lente des gradients thermiques internes de la Terre.

Etoiles.
Dans les étoiles, la convection intervient dans le transport de l'énergie produite par les réactions nucléaires qui se produisent dans leur coeur. Selon les conditions locales de température, de densité et d'opacité, le transfert d'énergie se fait par rayonnement ou par convection. Lorsque le gradient de température dépasse le gradient adiabatique, la stabilité est rompue et des mouvements convectifs apparaissent. Dans le Soleil, la zone convective occupe la partie externe de l'étoile, en dessous de la photosphère, et se manifeste par des structures observables à la surface, telles que les granulations. Ces cellules convectives transportent la chaleur depuis l'intérieur jusqu'à la surface, contribuant à la dynamique des champs magnétiques solaires et aux phénomènes tels que les taches solaires.  Les cellules convectives se renouvellent en quelques minutes à la surface, avec des vitesses de l'ordre du kilomètre par seconde. La production entropique y est importante car le flux d'énergie à transporter est colossal, et la convection constitue le moyen le plus efficace de dissiper les gradients thermiques qui se forment en périphérie. Dans les étoiles massives, la convection peut se produire dans le coeur même, en raison de la forte production d'énergie nucléaire qui rend le transfert radiatif insuffisant. La convection stellaire assure alors un mélange efficace de la matière et des éléments chimiques. L'échelle de temps des mélanges convectifs influence directement la durée de vie de l'étoile et sa structure interne.