Watt par mètre-kelvin

Watt par mètre-kelvin

Conductivité thermique

La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la Conduction thermique). Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par une unité de temps sous un température.

Sommaire

Généralités

Dans le système international dunités, la conductivité thermique est exprimée en watts par mètre par puissance

  • le mètre est lunité de longueur
  • le kelvin est lunité de température
  • La conductivité dépend principalement de :

    • La nature du matériau,
    • la température.
    • Dautres paramètres comme lhumidité, la pression interviennent également.

    En général, la conductivité thermique va de pair avec la diamant qui a une conductivité thermique élevée, entre 1000 et 2600 W·m-1·K-1, alors que sa conductivité électrique est basse.

    Dun point de vue atomique, la conductivité thermique est liée à deux types de comportements :

    • le mouvement des porteurs de charges, électrons ou trous.
    • loscillation des métaux, le mouvement des électrons libres est prépondérant alors que dans le cas des non-métaux, la vibration des ions est la plus importante.

      La conductivité thermique est donc liée dune part à la phonons » (on peut faire par exemple lanalogie avec un pendule ou une ondes qui peuvent se propager dans le matériau, si sa structure est périodique (organisée). Cette contribution sera donc plus importante dans un verre, désordonné (d par exemple la différence de conductivité thermique entre le verre dans le tableau).

      Mathématiquement, la conductivité thermique λ peut donc s'écrire comme la somme de deux contributions :

       \lambda=\lambda_e + \lambda_p \,

      • λe est la contribution des porteurs de charge (électrons ou trous)
      • λp est la contribution des vibrations des atomes (phonons)

      La contribution des porteurs de charge est liée à la

    L est appelé « Facteur de diffusion des ondes) ainsi que de la position du niveau de Fermi. Dans les métaux, il est égal au nombre de

    Ordres de grandeur des conductivités thermiques de quelques matériaux

    Matériaux Conductivité thermique
    (W·m-1·20 Acier doux
    00046 46
    Acier inoxydable (18% Nickel) 00026 26
    Adobe (terre crue) 00000.32 0,32
    Air (100 kPa) 00000.0262 0,0262
    Aluminium (pureté de 99,9%) 00237 237
    Al-SiC 00175 150-200
    Amiante 00000.168 0,168
    Ardoise (parallèle) 00002.50 2,50 à 95°C[1]
    Ardoise (perpendiculaire) 00001.4 1,4 à 95°C[1]
    00418 418[2]
    00000.06 0,06[1]
    00001.4 1,4[1]
    00002 2[1]
    00000.92 0,92[2]
    chêne 00000.16 0,16[1]
    noyer (0,65 g/cm³) 00000.14 0,14[1]
    pin (parallèle aux fibres) 00000.36 0,36
    Bois de pin (perpendiculaire aux fibres) 00000.15 0,15
    00000.84 0,84[2]
    Caoutchouc vulcanisé (EPDM) 00000.38 0,36 à 0,40
    Calcaire (2 g/cm³) 00001 1[1]
    00129 129
    00000.055 0,055[1]
    00000.11 0,11[1]
    00000.92 0,92[1]
    00390 390[2]
    01800 1000-2600
    00000.18 0,18
    00000.027 0,027
    00000.6 0,6[2]
    00000.25 0,25
    00066.6 66,6
    00080 80[3]
    00100 100
    00002.2 2,2[1]
    00001.3 1,3[1]
    00000.14 0,14[3]
    00000.26 0,26[1]
    00000.05 0,05
    00000.045 0,045[4]
    00000.04 0,04[2]
    Liège 00000.04 0,04[2]
    Marbre 00000.30 0,30[2]
    Mortier de 00000.87 0,87
    Mousse de Polyuréthane rigide 00000.025 0,025
    Or 00317 317
    Ouate de cellulose 00000.041 0,041
    Paille (perpendiculaire aux fibres) 00000.04 0,04
    perlite 00000.038 0,038
    Platine 00071.6 71,6
    Plomb 00035 35[3]
    Polystyrène expansé 00000.036 0,036
    Pouzzolane
    Quartz 00009.4 6,8-12
    Roseau (en panneau) 00000.056 0,056
    Schiste
    Silicium 00149.0 149
    Nitrure de silicium (Sialon) 00042.5 20-65
    Terre (sèche) 00000.75 0,75
    Titane 00020 20
    Verre 00001.2 1,2[2]
    Zinc 00116.0 116

    Si le gemmologie. Les diamants de n'importe quelle taille paraissent toujours très froids au toucher en raison de leur

    Conductivité thermique de quelques métaux

    Évolution avec la température

    La conductivité thermique évolue avec la température.

    Pour les solides, elle répond à la loi suivante :

     \lambda= \lambda_0 (1+ a\theta)\,

    L’une des extrémités de l’échantillon de section A est fixée à un doigt froid (bain thermique) dont le rôle est d'évacuer le flux thermique traversant l'échantillon, et l’extrémité opposée à une chaufferette dissipant dans l’échantillon une puissance électrique Q obtenue par thermocouples séparés par une distance L mesurent la différence de température dT le long de l’échantillon. Un troisième thermocouple, calibré, est également fixé à l’échantillon pour déterminer sa température moyenne (la température de mesure). La conductivité thermique est alors donnée par :

     \lambda=\frac{Q.L}{A.dT}\,

    Si dT n’est pas trop important (de l'ordre de conduction thermique par les fils, radiation par les surfaces de l’échantillon ou pertes dans la chaufferette : la mesure s'effectue donc dans des conditions adiabatiques. Pour assurer la meilleure précision possible, l’échantillon dont on souhaite mesurer la conductivité thermique est donc placé dans une chambre de mesure sous vide (pour minimiser la convection). Cette chambre est elle-même enveloppée dans plusieurs boucliers thermiques dont la température est régulée (afin de minimiser les effets radiatifs). Enfin, les fils des thermocouples sont choisis de manière à conduire le moins possible la chaleur.

    Etant donné qu’il est d'autant plus difficile de minimiser les pertes thermiques que la température augmente, cette technique ne permet la mesure de la conductivité thermique qu’à des températures inférieures à la température ambiante (de 2 27 Mesure par la méthode dite « Laser Flash »

    Pour les températures supérieures à la température ambiante, il devient de plus en plus difficile d’éliminer ou de tenir compte des pertes thermiques par radiation (conditions adiabatiques), et l’utilisation de la technique à l’état stationnaire présentée ci-dessus n’est pas recommandée. Une solution est de mesurer la

    Un échantillon cylindrique dont l’épaisseur d est nettement plus faible que son diamètre est placé dans un porte-échantillon qui se trouve à l’intérieur d’un four maintenu à température constante. Une de ses faces est illuminée par des pulses (de l’ordre de la milliseconde) émis par un capteur de mesure

    Il est alors possible de calculer la conductivité thermique grâce à la masse spécifique et la chaleur spécifique.

    La difficulté de cette technique réside dans le choix des paramètres de mesure optimums (puissance du laser et épaisseur de l'échantillon).

    Normes et règlements

    En France, ont été promulguées des normes successives pour inciter les bâtisseurs à une isolation thermique maximale des bâtiments. Par exemple la norme RT 2000 puis la norme RT 2005.

    Notes et références

    1. a , b , c , d , e , f , g , h , i , j , k , l , m  et n Handbook of Chemistry & Physics
    2. a , b , c , d , e , f , g , h  et i Thermodynamique, fondements et applications, J.Ph. Pérez, A.M. Romulus, p155 édition Masson
    3. a , b  et c Harris Benson. Physique 1 : mécanique. 3e édition. Éditions du Renouveau Pédagogique, Saint-Laurent, Québec, 2004, p. 519.
    4. NBN B 62-002/A1"

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