Les forces derrière la conductivité thermique et son application
Le transfert de chaleur est l’une des principales forces physiques à l’origine de toutes les réactions sur cette planète. Régi par les lois de la thermodynamique, le transfert de chaleur permet d’utiliser l’énergie et de l’appliquer pour alimenter d’innombrables systèmes du quotidien. Le mécanisme du transfert de chaleur est expliqué par la première loi de la thermodynamique. Cette loi stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transférée entre des systèmes. Inévitablement, lorsque de l’énergie est transférée entre deux systèmes, une partie est perdue dans le milieu environnant. Cette énergie perdue se présente sous la forme de chaleur et peut également être appelée énergie thermique. L’énergie thermique qui est contenue dans un système est responsable de la température de l’environnement.
Méthodes de transfert de chaleur
Il existe trois méthodes qui facilitent le transfert de chaleur. Ces méthodes sont connues sous le nom de conduction, convection et rayonnement.
Le rayonnement transfère la chaleur en utilisant des ondes électromagnétiques et n’implique aucune interaction entre les matières. La chaleur qui provient du soleil est un exemple de rayonnement.
La convection se produit dans les liquides et les gaz et décrit le mouvement de la chaleur d’un endroit à un autre, facilité par le mouvement des fluides. Lorsqu’ils sont chauffés, les fluides se dilatent et deviennent moins denses. Le fluide chaud monte et déplace le fluide froid situé au-dessus de lui en le poussant vers la source de chaleur. Ce fluide froid va se réchauffer et remonter vers le haut, créant ainsi un flux constant de fluide d’une zone de forte chaleur vers une zone de faible chaleur. La convection explique comment les radiateurs plinthes peuvent chauffer une pièce entière. L’air chaud généré par les radiateurs s’écoule rapidement vers le haut en poussant l’air froid vers le bas en direction du radiateur au sol, créant ainsi un flux d’air constant.
Le transfert de chaleur par conduction implique le transfert de chaleur entre deux matériaux à partir d’un contact de surface. Aucune matière n’est échangée entre les matériaux, seulement de l’énergie. Ce type de transfert de chaleur se produit dans les matériaux solides et est causé par les vibrations des particules. Lorsqu’elles sont exposées à un flux d’énergie, les particules d’un solide commencent à s’agiter, à tourner et à vibrer, créant ainsi de l’énergie cinétique. Un exemple courant de conduction est le processus de chauffage d’une casserole sur une cuisinière. La chaleur du brûleur est transférée directement à la surface de la casserole. La température est une mesure de la quantité d’énergie cinétique transformée par les particules d’un échantillon de matière. Plus une matière possède d’énergie cinétique, plus sa température interne sera élevée.
Figure 1 : Schéma des mécanismes de transfert de chaleur
Transfert de chaleur dans les métaux
La matière possédant une énergie cinétique élevée aura également une conductivité thermique élevée. La conductivité thermique décrit l’efficacité avec laquelle un matériau peut laisser passer la chaleur à travers lui. Elle est définie par le taux de flux d’énergie par unité de surface par rapport à un gradient de température. La plupart des valeurs de conductivité sont exprimées en watts par mètre par degrés Kelvin W/m-K.
La conductivité thermique explique pourquoi marcher pieds nus sur un carrelage froid semble beaucoup plus frais que marcher sur une moquette, même si les deux sont à température ambiante. Le carrelage et les pierres ont une conductivité thermique plus élevée que la moquette et les tissus, de sorte qu’ils peuvent transférer la chaleur loin d’un pied à un rythme beaucoup plus rapide, ce qui fait que le carrelage semble frais au toucher.
Les métaux sont un exemple de matériau à haute conductivité thermique qui peut transférer rapidement la chaleur. La structure interne d’une molécule métallique contient des électrons libres qui peuvent se déplacer librement dans la masse du matériau. Ces électrons libres entrent rapidement en collision avec d’autres particules, ce qui fait que la structure interne d’un métal vibre plus rapidement et se réchauffe plus vite. Ces vibrations rapides favorisent le flux d’énergie et de chaleur dans tout le métal.
Les métaux tels que le cuivre, l’aluminium et l’argent sont fréquemment utilisés pour fabriquer des appareils et des outils thermiques. Les tuyaux en cuivre sont des fils extrêmement populaires à utiliser dans une maison pour transférer rapidement l’énergie et la chaleur d’une zone à l’autre. L’aluminium a des propriétés thermiques extrêmement similaires à celles du cuivre et est souvent utilisé comme substitut rentable pour remplir les mêmes fonctions. L’argent est l’un des métaux les plus utilisés pour les applications thermiques. Plus de 35 % de tout l’argent produit aux États-Unis est destiné à des usages électroniques ou électriques. La demande d’argent continue de croître car il devient un composant crucial dans la production de panneaux solaires. D’autres matériaux hautement thermoconducteurs, comme le diamant, ont également de nombreuses applications pratiques. La poudre de diamant est souvent utilisée dans l’électronique pour transférer la chaleur loin des zones sensibles afin de les protéger de la surchauffe.
Figure 2 : Panneaux solaires standard qui sont fréquemment fabriqués avec de l’argent
Transfert de chaleur dans les non-métaux
Les matériaux non métalliques s’appuient sur les phonons pour transférer la chaleur le long d’un gradient d’une zone froide vers une zone chaude. Les plastiques, les mousses et le bois sont autant d’exemples de matériaux présentant de faibles valeurs de conductivité thermique. Ces matériaux sont connus sous le nom d’isolants et peuvent restreindre le flux de chaleur. Les isolants ont de nombreuses applications extrêmement utiles qui peuvent empêcher la perte d’énergie dans l’environnement. La mousse est un matériau d’isolation extrêmement utile pour les maisons et les bâtiments. Plus de 50 % de l’énergie domestique est utilisée pour chauffer ou refroidir une maison. L’utilisation d’un matériau à haute conductivité thermique pour isoler une maison peut réduire considérablement la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer ou refroidir un bâtiment. Les prix de l’énergie augmentent continuellement à l’échelle mondiale, ce qui rend idéal de conserver autant d’énergie et de chaleur que possible afin de réduire les factures d’électricité.
Conclusion
La conductivité thermique est une propriété matérielle extrêmement importante qui permet à des milliers de systèmes de production de fonctionner correctement et efficacement. La chaleur est constamment échangée au sein de chaque écosystème sous forme d’énergie perdue. L’exploitation de l’énergie thermique pour l’utiliser dans des processus industriels et pratiques a créé d’excellentes technologies d’économie d’énergie qui sont utilisées quotidiennement. La conduction, le rayonnement et la convection sont les différentes façons dont la chaleur peut se déplacer dans un système. La structure, la densité et la composition des matériaux sont des facteurs qui peuvent avoir un impact sur la conductivité thermique d’un échantillon. Les matériaux présentant des valeurs de conductivité thermique élevées ou faibles sont utilisés pour une variété d’applications quotidiennes. Bien que fortement sous-estimée, la vie ne serait pas la même sans le transfert de chaleur et l’échange thermique.
Auteur : Kallista Wilson | Rédactrice technique junior | Thermtest
.