La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi de Fourier (voir l’article Conduction thermique). Elle représente la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) transférée par unité de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) et par une unité de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) sous un gradient de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...).
Dans le système international d’unités, la conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) est exprimée en watts par mètre-kelvin, (W·m-1·K-1) où :
La conductivité dépend principalement de :
En général, la conductivité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) va de pair avec la conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se...). Par exemple, les métaux, bons conducteurs d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) sont aussi de bons conducteurs thermiques. Il y a des exceptions, la plus exceptionnelle est celle du diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...) qui a une conductivité thermique élevée, entre 1000 et 2600 W·m-1·K-1, alors que sa conductivité électrique est basse.
D’un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) atomique, la conductivité thermique est lié à deux types de comportements :
Dans les 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 d’une part à la conductivité électrique (mouvement des porteurs de charge) et à la structure même du matériau (vibrations des atomes). En effet dans un solide, les vibrations des atomes ne sont pas aléatoires et indépendantes les unes des autres, mais correspondent à des modes propres de vibration, aussi appelés " phonons " (on peut faire par exemple l’analogie avec un pendule (Le mot pendule (nom masculin) nous vient d'Huygens et du latin pendere. Il s'agit donc à l'origine...) ou une corde de guitare, dont la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de vibration est fixée. Ces modes propres de vibration correspondent à des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) qui peuvent se propager dans le matériau, si sa structure est périodique (organisée). Cette contribution sera donc plus importante dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...), ordonné, que dans un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...), désordonné (d’où par exemple la différence de conductivité thermique entre le diamant ci-dessus et le verre dans le tableau).
Mathématiquement, la conductivité thermique λ peut dont s'écrire comme la somme de deux contributions :
où
La contribution des porteurs de charge est liée à la conductivité électrique σ du matériau par la relation de Wiedemann-Franz :
où L est appelé " Facteur de Lorentz ". Ce nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) L dépend des processus de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) des porteurs de charge (ce qui correspond plus ou moins à la façon dont ils sont gênés par des obstacles lors de leurs déplacements, voir aussi diffusion des ondes) ainsi que de la position du niveau de Fermi. Dans les métaux, il est égal au nombre de Lorentz L0, avec :
où
Matériaux | Conductivité thermique (W·m-1·K-1) Valeurs pour une température de 20 °C |
---|---|
Diamant | 895-2300 |
Argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du...) | 429 |
Cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) | 401 |
Or | 317 |
Aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) (pureté de 99,9%) | 237 |
Al-SiC (L'Al-SiC (ou AlSiC, ou Al/SiC) est une matrice d’aluminium Al renforcé de particules de...) | 150-200 |
Carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) | 129 |
Platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) | 71,6 |
Etain | 66,6 |
Acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) doux | 46 |
Acier inoxydable (Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie...) (18% Chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.), 8% Nickel) | 26 |
Titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro...) | 20 |
Quartz | 6,8-12 |
Marbre (Le marbre est une roche métamorphique dérivée du calcaire, existant dans une grande...) | 2,5 |
Verre | 1,35 |
Eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) | 0,6 |
Bois de pin (Pin désigne :) (parallèle aux fibres) | 0,36 |
Bois de pin (perpendiculaire aux fibres) | 0,15 |
Dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) (gaz) | 0.18 |
Laine | 0,05 |
Laine de verre (La laine de verre est un matériau isolant de consistance laineuse obtenu par fusion à...) | 0,04 |
Polystyrène (Le polystyrène (PS en abrégé) est le polymère -(CH2-CH(Ph))n-, obtenu par la...) expansé | 0,03 |
Dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...) (gaz) | 0,027 |
Air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) (100 kPa) | 0,0262 |
Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) (sèche) | 0,75 |
Béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de...) | 1 à 2,1 |
brique (terre cuite) | 0,3 à 0,96 |
Adobe (terre crue) | 0,32 |
Liège | 0,04 à 0,05 |
Pouzzolane | |
Roseau (On appelle « roseau » diverses plantes des sols humides d'assez grande taille,...) (en panneau) | 0,056 |
Mortier de chaux | 0,87 |
Schiste (Un schiste est une roche qui a pour particularité d'avoir un aspect feuilleté, et de se...) | |
Ardoise (L'ardoise est une roche métamorphique qui s'est formée dans de fortes conditions de...) |
Si le diamant a une conductivité thermique très élevée, celle du diamant bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) naturel l’est encore plus. On peut donc examiner des gemmes pour déterminer si elles sont de véritables diamants en utilisant un appareil de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de la conductivité thermique, un des instruments standard utilisé en gemmologie. Les diamants de n'importe quelle taille paraissent toujours très froids au toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal,...) en raison de leur conductivité thermique élevée.
A densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) et humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...) égales, le bois résineux est plus conducteur que le bois feuillu. Plus un bois est dense et plus il est humide, plus il est conducteur.
La conductivité thermique évolue avec la température.
Pour les solides, elle répond à la loi suivante :
où
a est positif pour les isolants thermiques et négatif pour les conducteurs thermiques.
Quand la température augmente, un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) perd de sa capacité d'isolation et inversement un conducteur perd de sa capacité de conduction.
Pour les matériaux de construction, il est courant d’utiliser la relation suivante :
où
Le principe de la détermination de la conductivité thermique d’un matériau repose sur le lien entre le flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le...) qui traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de...) ce matériau et le gradient de température qu’il génère. Il est illustré sur la figure suivante :
L’une des extrémités de l’échantillon de section A est fixée à un doigt froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) (bain thermique) dont le rôle est d'évacuer le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) thermique traversant l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...), et l’extrémité opposée à une chaufferette dissipant dans l’échantillon une puissance électrique Q obtenue par effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du...), de manière à produire un gradient thermique suivant la longueur de l’échantillon. Des thermocouples séparés par une distance L mesurent la différence de température dT le long de l’échantillon. Un troisième thermocouple (En physique, les thermocouples sont utilisés pour la mesure de température. Ils sont bon...), calibré, est également fixé à l’échantillon pour déterminer sa température moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) (la température de mesure). La conductivité thermique est alors donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par :
Si dT n’est pas trop important (de l'ordre de 1°C), la conductivité thermique mesurée est celle correspondant à la température moyenne mesurée par le troisième thermocouple. Le principe de la mesure repose alors sur l’hypothèse que la totalité du flux de chaleur passe par l’échantillon. La précision de la mesure dépend donc de la capacité à éliminer les pertes thermiques, que ce soit par conduction thermique (La conduction thermique (ou diffusion thermique) est un mode de phénomène de transfert...) par les fils, convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) par le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) résiduel, radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) 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 (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) (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 kelvins à 200 kelvins sans difficultés, et jusqu’à 300 kelvins (27°C) pour les meilleurs appareils de mesure).
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 diffusivité thermique (La diffusivité thermique est la vitesse de pénétration et atténuation d'une onde thermique dans...) en lieu et place de la conductivité thermique. Ces deux grandeurs sont en effet liées par la relation :
où
Si l’on suppose que la masse spécifique ne varie pas avec la température, il suffit de mesurer la diffusivité thermique et la chaleur spécifique pour obtenir une mesure de la conductivité thermique à haute température.
La figure suivante schématise l’appareillage utilisé pour la mesure de conductivité thermique par la méthode dite " laser flash " :
Un échantillon cylindrique dont l’épaisseur d est nettement plus faible que son diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) est placé dans un porte-échantillon qui se trouve à l’intérieur d’un four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage...) maintenu à température constante. Une de ses faces est illuminée par des pulses (de l’ordre de la milliseconde) émis par un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...), ce qui assure un chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) uniforme de la face avant. La température de la face arrière est mesurée, en fonction du temps, à l’aide d’un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) de mesure infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...). En l’absence de pertes thermiques de l’échantillon, la température devrait augmenter de manière monotone. Dans une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) réelle, l’enregistreur mesurera un pic de température suivi d’un retour à la température du four. Le temps t nécessaire pour que la face arrière atteigne la moitié de la température de pic (par rapport à la température du four), permet de déterminer la diffusivité thermique suivant :
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).
En France, ont été promulguées des normes successives pour inciter les bâtisseurs à une isolation thermique maximale des bâtiments. Par exemple la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) RT 2000 puis la norme RT 2005.