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Comprendre la conductivité thermique des matériaux

Les matériaux, quels qu’ils soient, possèdent des propriétés physiques qui leur sont propres et qui permettent de les distinguer les uns des autres. La conductivité thermique des matériaux est la caractéristique qui juge l’aptitude d’une matière à transférer la chaleur qu’elle capte. La conductivité thermique des matériaux est également connue sous le terme de conductibilité thermique et se retrouve dans la célèbre loi de Fourier qui interprète les caractéristiques de la conduction thermique. Nous vous proposons au sein de ce dossier un éclairage sur cette notion de conductivité.
 

Sommaire :

Définition de la conductivité thermique des matériaux

Définition de la conductivité thermique des matériaux

Définition physique de ce phénomène

En science physique, on définit la conductivité thermique des matériaux comme la mesure d’un corps solide (le matériau) dans son aptitude à être conducteur de la chaleur qu’il perçoit ou reçoit. Cette conductivité représente donc la chaleur transférée par unité de surface ainsi que par unité de temps, avec une mesure qui s’effectue aux deux extrémités du corps du matériau. La loi de Fourier s’appuie en partie sur cette définition.

Comment s’exprime cette conductivité ?

Pour exprimer cette conductivité thermique des matériaux, on utilise la mesure du watt par mètre-kelvin qui peut aussi s’exprimer de la façon suivante : W.m-1.K-1. Dans cette formule, le watt est l’unité de puissance, le mètre est évidemment l’unité de longueur et le kelvin est l’unité de température.
 

Ainsi, si un matériau affiche une conductivité de 1 watt par mètre-kelvin, cela signifie qu’il émet 1 watt par mètre carré pour 1 kelvin par mètre induit. Savoir mesurer cette conductivité thermique des matériaux permet de connaître leurs capacités isolantes ou leur potentiel de chauffage d’une pièce par exemple.
 

Comment s’expliquent les différences entre matériaux ?

Plusieurs facteurs peuvent expliquer pourquoi il y a différents niveaux et performances en matière de conductivité thermique des matériaux. Parmi les principaux, il est possible de citer la nature même du matériau bien entendu, mais également la température existante au moment du contrôle ainsi que le degré d’humidité ou de pression.
 

Chacun de ces facteurs peut avoir une incidence sur les résultats affichés lors des mesures de conductivité.
 

Définition au niveau de l’atome

Si l’on descend encore plus en amont dans l’analyse de la conductivité thermique des matériaux, il est possible d’étudier le comportement des atomes face au transfert de la chaleur.
 

Ainsi, deux comportements différents auront un impact sur la conductivité thermique, à savoir le mouvement effectué par les éléments porteurs de charge comme les électrons, les ions (utilisés dans le chauffage par ionisation) ou les trous et ce que l’on appelle l’oscillation des atomes, constatée autour de leur position dite position d’équilibre.
 

Il est donc possible de résumer en disant que la conductivité thermique des matériaux est aussi bien due à la conductivité électrique qu’à la vibration des atomes au sein de la structure même du matériau.  

Comment calculer la conductivité thermique des matériaux ?

Une approche mathématique globale

D’un point de vue mathématique, la conductivité thermique des matériaux peut donc s’écrire comme la somme entre la contribution des électrons et des trous porteurs de charge et celle de la vibration des atomes :

λ (lambda) = λe (contribution électrique) + λp (contribution vibratoire des atomes)
 

Une relation forte entre conductivité électrique et thermique

Du fait de la loi mathématique énoncée précédemment, il est possible de nouer une relation forte entre la conductivité thermique d’un matériau et sa conductivité électrique. Étant donné que ce sont les électrons libres à l’intérieur d’un corps physique qui participent le plus au transfert de la chaleur, les matériaux conducteurs d’électricité comme le cuivre par exemple sont également de très bons conducteurs thermiques.
 

Quelques contre-exemples existent cependant sur ce point. C’est par exemple le cas du diamant qui est un très bon conducteur thermique sans être du tout conducteur électrique. Le diamant est l’illustration de l’impact de l’oscillation des atomes sur la conductivité thermique des matériaux.
 

L’importance de l’humidité

L’humidité joue un rôle essentiel dans la conductivité thermique des matériaux, en la dégradant de manière importante dans la plupart des cas. De ce fait, une équation mathématique a été développée pour mettre en évidence les relations entre la conductivité thermique d’un matériau sec et l’impact de l’humidité sur cette dernière.
 

Cette notion de conductivité en milieu humide est intéressante à considérer pour des notions d’isolation notamment, où la pluie peut avoir un rôle important à jouer.

Quelle est la conductivité thermique des principaux matériaux ?

Pour vous donner une indication sur le choix des matériaux les plus pertinents en matière de chauffage ou d’isolation, nous avons fait un focus sur les principaux matériaux rencontrés dans le monde de la construction :
 

Les différents matériaux d’isolation thermique

Parmi les matériaux d’isolation les plus efficaces en matière de conductivité thermique, il est possible de citer la vermiculite, et notamment la vermiculite expansée en panneaux. Ce matériau qui a longtemps été considéré comme l’un des plus performants en matière d’isolation a perdu en popularité à cause de l’amiante découvert dans certaines extractions.

Quelle est la conductivité thermique des principaux matériaux

Parmi les autres performances intéressantes de conductivité thermique des matériaux, il est possible de citer le liège avec un ratio de 0,05 W/m.k ou encore le verre cellulaire avec un ratio de 0,055 W/m.k ou la perlite avec un ratio de 0,06 W/m.k.
 

À l’inverse, le polyuréthane présente une performance légèrement inférieure avec un ratio qui se situe à 0,035 W/m.k. Ces caractéristiques peuvent vous aider à choisir le bon isolant pour votre toiture par exemple.
 

La comparaison entre pierre naturelle et béton

De nombreuses personnes se posent la question de l’isolation d’une maison en pierres naturelles par rapport à une maison qui s’appuie sur des blocs de béton. Le constat est intéressant puisque des pierres naturelles et lourdes comme le granit, le basalte ou le porphyre par exemple affichent un niveau de performance très élevé à 3,5 W/m.k.
 

En comparaison, des briques en terre cuite pourront monter jusqu’à un niveau de 0,81 W/m.k en fonction de leur masse volumique, et des blocs de béton composés avec des granulats ordinaires pourront afficher une performance allant jusqu’à 2,09 W/m.k.
 

Quelle est la conductivité thermique du plâtre ?

Autre matériau fréquemment rencontré dans nos habitations, le plâtre présente des capacités isolantes intéressantes.
 

En affichant, en fonction de sa masse volumique, un ratio allant de 0,22 à 0,52 W/m.k., le plâtre assume sa fonction isolante au sein d’une habitation.
 

En revanche, d’autres enduits seront plus performants dans le domaine de la conductivité de la chaleur. C’est par exemple le cas du mortier de ciment, qui présente une conductivité thermique de l’ordre de 0,93 W/m.k., tandis que le mortier de chaux affiche quant à lui un ratio de 0,70 W/m.k.
 

Quels matériaux sont les moins conducteurs ?

La conductivité thermique des matériaux permet également de comparer tous types de matériaux afin de trouver quels sont ceux qui présentent des caractéristiques plus ou moins intéressantes en matière de transfert de chaleur.
 

Dans ce domaine, il semble que le caoutchouc, avec un ratio de 0,17 W/m.k., soit l’un des matériaux les moins efficaces. De la même manière, le linoléum ou les carreaux de PVC ne feront passer que peu de chaleur avec un ratio de 0,19 W/m.k.
 

En revanche, des carreaux de grès ou du verre sont plus conseillés en matière de conductivité thermique des matériaux puisqu’ils permettent un transfert supérieur à 1 W/m.k.    

L’intérêt de la conductivité thermique des matériaux

L’intérêt de la conductivité thermique des matériaux

Pour se rendre compte de l’intérêt d’une bonne compréhension de la conductivité thermique des matériaux, il convient de se pencher sur les éléments suivants :
 

Quel matériau pour mon chauffage ?

Lorsque vous devez choisir un radiateur économique, vous avez le choix entre plusieurs modèles disposant pour certains d’un matériau différent dans le corps de chauffe : aluminium ou acier selon les radiateurs.

Il est donc important, dans ce contexte, de connaître la conductivité thermique de ces matériaux afin de choisir le plus approprié aux dimensions de votre pièce. Dans ce cas précis, on privilégiera l’aluminium pour les grandes pièces puisque ce dernier a une conductivité thermique de 226 W/m.k. tandis que l’acier a une conductivité thermique de 13.4 W/m.k.
 

Quel matériau pour mon isolant ?

Si l’on entre dans le détail des composants des différents isolants, il est possible de reconstituer le niveau de conductivité thermique de son isolation. Nous avons vu précédemment les différentes propriétés des matériaux isolants. En regardant la composition des laines de verre ou de roche par exemple, vous saurez si vous faites le bon choix d’isolant.
 

Une donnée utile au développement technologique

Enfin, de nombreux usages ont également pu se développer grâce à la mise en valeur de ces informations de conductivité. C’est le cas de l’électricité dont le transport a été grandement facilité par l’utilisation du cuivre, matériau très conductible.

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